DE2326265A1

DE2326265A1 - DEVICE FOR MONITORING BLOOD GLUCOSE LEVEL IN A LIVING ORGANISM

Info

Publication number: DE2326265A1
Application number: DE2326265A
Authority: DE
Inventors: Sol Dr Aisenberg; Kuo Wei Dr Chang
Original assignee: Whittaker Corp
Current assignee: Whittaker Corp
Priority date: 1972-02-03
Filing date: 1973-05-23
Publication date: 1974-12-19
Also published as: US3837339A

Description

zur Ubcr'#achung dcc #lutgIukc#&-in einem lebenden Organismus. to the rule of thumb dcc #lutgIukc # & - in a living organism.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme zur Überwachung des Glukosespiegels und insbesondere auf ein in den Körper einsetzbares Warnsystem zur Überwachung des Blutglukosespiegels und zur Messung und Einregulierung des Blutglukosespiegels von Diabetikern, Es ist für Diabetiker von größter Wichtigkeit, während des ganzen Tages den Blutglukosespiegel auf, oder nahe normalen Werten zu halten. Diese Werte lassen sich einstellen durch geeignete Nahrungszusammenstellung, Insulineinspritzung, und körperliche Übungen. Um aber eine Überkompensation bzw. The present invention relates to systems for surveillance the glucose level and in particular a warning system that can be used in the body for monitoring the blood glucose level and for measuring and regulating the blood glucose level of diabetics, It is of paramount importance to diabetics throughout the whole Keep blood glucose levels at or near normal during the day. These values can be adjusted by suitable food composition, insulin injection, and physical exercises. However, to avoid overcompensation or

ein Unterschreiten des Normalwerts zu vermeiden, ist es für den Diabetiker wünschenswert, stets seinen Blutglukosespiegel zu kennen, sodaß er rechtzeitig geeignete Kompensationsmaßnahmen treffen kann.It is for the diabetic to avoid falling below the normal value desirable to always know his blood glucose level so that he can find suitable ones in good time Can take compensatory measures.

Bisher konnten kontinuierliche Messungen des Blutglukosespiegels nur außerhalb des menschlichen Körpers vorgenommen werden. Bei diesen Messungen wird über eine Doppelkanüle Blut ständig von einer Vene abgenommen, mit Heparinlösung vermischt und an eine Dialyse-Zelle weitergeleitet. Die ausdialysierte Glukose wird mit einer ausreichenden Menge einer entsprechenden Verbindung, wie beispielsweise Glukoseoxydase, eine Mischung aus Glukoseoxydase-HVA-#eroxydase, oder Kaliumferrizyanid zur Reaktion gebracht. Die Glukosekonzentration wird dann festgestellt durch Spektrometrie, Polarimetrie, Fluoreszenz-Messungen, oder kolorimetrische Messungen, je nach Art des verwendeten Reagens. Die in dieser Weise durchgeführten Blutglukosemessungen sind zeitraubend und für einen ambulanten Diabetiker unangenehm, Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Warnsystem zur ständigen Überwachung des Glukosespiegels und zu dessen Messung und Einregulierung in Diabetikern zu schaffen, Die Erfindung hat ferner zum Ziel, ein kompaktes, in den Körper einsetzbares, in sich geschlossenes System zu schaffen, das seine aus Messungen des Blutglukosespiegels erhaltenen Meßdaten ständig auf dem Wege drahtloser Fernübertragung abgibt. So far, continuous measurements of blood glucose levels have been possible can only be made outside the human body. With these measurements blood is continuously withdrawn from a vein via a double cannula with heparin solution mixed and sent to a dialysis cell. The dialyzed out glucose will with a sufficient amount of an appropriate compound, such as Glucose oxidase, a mixture of glucose oxidase-HVA- #eroxidase, or potassium ferricyanide brought to reaction. The glucose concentration is then determined by spectrometry, Polarimetry, fluorescence measurements, or colorimetric measurements, depending on the type of the reagent used. The blood glucose measurements taken in this way are time consuming and uncomfortable for an ambulatory diabetic, the main objective of the present Invention is a warning system for constant monitoring of the glucose level and to measure and regulate it in diabetics, the invention has further to the goal of a compact, self-contained, insertable into the body To create a system that uses its measurement data obtained from measurements of the blood glucose level constantly on the way of wireless long-distance transmission gives away.

Die Erfindung hat ferner zum Ziel, ein System der oben genannten Art zu schaffen, das keine schädlichen Stoffe abgibt und in dem keine giftigen Chemikalien zur Reaktion mit der Blutglukose gebracht werden. Another object of the invention is to provide a system of the above To create a kind that does not emit harmful substances and in which no toxic chemicals to react with the blood glucose.

Ein wichtiges Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist es dabei, daß das in den Körper einsetzbare Überwachungssystem einen äußerst geringen elektrischen leistungsverbrauch hat. An important feature of the present invention is it that the monitoring system that can be inserted into the body has an extremely low electrical level power consumption has.

Ein weiteres Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist es, daß die in den Körper einsetzbare Vorrichtung nur sehr wenig Wärme entwickelt, und sehr wenig Glukose und Sauerstoff verbraucht. Another feature of the present invention is that the Device insertable into the body develops very little heat, and very little consumes little glucose and oxygen.

Ein weiteres Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist es, daß die in den Körper einsetzbare Vorrichtung leicht geeicht und nachgeeicht werden kann, um Wanderungs- und Alterungserscheinungen der Vorrichtung zu kompensieren. Another feature of the present invention is that the device that can be inserted into the body can be easily calibrated and recalibrated, to compensate for migration and aging of the device.

Ein weiteres wesentliches Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist es, daß die Vorrichtung unabhängig von Schwankungen des pH-Werts und des körpereigenen Sauerstoffgehalts arbeitet. Another essential feature of the present invention it is that the device is independent of fluctuations in pH and the body's own Oxygen content works.

Die oben genannten Ziele werden durch ein erfindungsgemäßes Warnsystem zur Überwachung des Blutglukosespiegels erreicht, wobei ein Meß- und Fernübertragungssystem verwendet wird, das in einer kleinen, von einer Membran abgedeckten Kammer enthalten ist, in die körpereigene Flüssigkeit, Sauerstoff, und Glukose frei eindiffundieren können. Die in der Kammer enthaltene Körperflüssigkeit ist stets im Gleichgewicht mit der extrazellularen Gewebeflüssigkeit, die ihrerseits fast ständig im Gleichgewicht mit der im Blut enthaltenen Glukose steht. In dieser Kammer ist eine Brennstoffzelle aus zwei Platinmohr-Elektroden (oder anderenmit einem Katalysator überzogennElektroden) angebracht, in der Glukose als Brennstoff und aufgelöster Sauerstoff als Oxydationsmittel verwendet werden. Der Betrieb der Brennstoffzelle ist im wesentlichen durch die Diffusion der Glukose bestimmt, sodaß der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle der Glukosekonzentration in der Körperflüssigkeit proportional ist und damit direkt den Blutglukosespiegel anzeigt. Diese Information wird dann durch Fernübertragung an ein außerhalb des Körpers befindliches Empfangs system weitergeleitet. The above goals are achieved by a warning system according to the invention for monitoring blood glucose levels, with a measuring and remote transmission system contained in a small chamber covered by a membrane is, into the body's own fluids, oxygen, and glucose diffuse freely can. The one in the Body fluid contained in the chamber is always in equilibrium with the extracellular tissue fluid, which in turn is almost is constantly in equilibrium with the glucose in the blood. In this chamber is a fuel cell made up of two platinum black electrodes (or others with a catalyst coated electrodes), in which glucose is used as fuel and dissolved Oxygen can be used as an oxidizing agent. Operation of the fuel cell is essentially determined by the diffusion of glucose, so that the output current the fuel cell is proportional to the glucose concentration in the body fluid and thus directly shows the blood glucose level. This information is then by remote transmission to a receiving system outside the body forwarded.

Die Vorrichtung zur Überwachung des Blutglukosespiegels kann direkt in den lebenden Körper eingesetzt werden, oder subkutan mit einer Injektionsnadel eingeführt werden. Das System läßt sich ferner als Warn- und Überwachungssystem außerhalb des Körpers verwenden. The device for monitoring the blood glucose level can directly inserted into the living body, or subcutaneously with a hypodermic needle to be introduced. The system can also be used as a warning and monitoring system use outside the body.

Diese und weitere Ziele, Vorteile und Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer vorzugsweisen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. These and other objectives, advantages and characteristics of the present Invention will emerge from the following detailed description of a preferred one Embodiment with reference to the attached figures.

Figur 1 ist eine schematische Darstellung der Brennstoffzelle für die eindiffundierte Glukose und des Pernübertragungssystems als Blockschaltbild. Figure 1 is a schematic representation of the fuel cell for the diffused glucose and the core transmission system as a block diagram.

Figur 2 ist eine Strom-Spannungskennlinie einer typischen Brennstoffzelle. Figure 2 is a current-voltage characteristic of a typical fuel cell.

Figur 3 ist das Blckschaltbild des Systems zur Überwachung des Blui#Lukosespiegels. Figure 3 is the block diagram of the system for monitoring the Blui # Lukoses level.

Figur 4 ist schließlich ein teilweises schematisches Blockschaltbild der Kreise zur Steuerung und Alarmgabe und der Vorrichtungen zum Aufrechterhalten eines bestimmten Glukosespiegels im Blut des lebenden Körpers. Finally, FIG. 4 is a partially schematic block diagram the control and alarm circuits and the maintenance devices a certain level of glucose in the blood of the living body.

Erfindungsgemäß wird eine in den Körper einsetzbare, in Figur 1 mit 10 bezeichnete Brennstoffzelle benutzt, um eine elektrische Anzeige des Blutglukosespiegels im lebenden Körper zu erhalten. Vor der Beschreibung der Brennstoffzelle 10 ist eine kurze Behandlung der Betriebsweise einer Brennstoffzelle unter besonderer Berücksichtigung einer in einen lebenden Organismus arbeitenden Brennstoffzelle angebracht. According to the invention, an insertable into the body is shown in FIG 10 designated fuel cell is used to provide an electrical display of blood glucose levels get in the living body. Before describing the fuel cell 10 is a short treatment of the operation of a fuel cell with special consideration attached to a fuel cell working in a living organism.

Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung zur Umwandlung elektrochemischer Energie und enthält eine sich nicht verbrauchende Anode, eine Kathode, einen Elektrolyten, und geeignete Steuervorrichtungen, um bestimmte Umgebungsbedingungen an der Anode und der aus einem Oxydationsmittel bestehenden Kathode aufrecht zu erhalten. Im Prinzip läßt sich jede Oxydations-Reduktions-Reaktion als Bernnstoffzelle verwenden, doch hängt die Möglichkeit der praktischen Anwendung einer Reaktion hauptsächlich von der Reaktionsgeschwindigkeit ab. A fuel cell is an electrochemical conversion device Energy and contains a non-consuming anode, a cathode, an electrolyte, and suitable control devices to set certain environmental conditions at the anode and to maintain the oxidant cathode. in the In principle, every oxidation-reduction reaction can be used as an amber cell, however, the possibility of practical application of a reaction mainly depends on the reaction speed.

Die wirksamste und zugleich höchstentwickelte Brennstoffzelle ist der menschliche Körper, in dem Enzyme zur katalytischen Steuerung der Oxydation von Nahrungsmitteln (Brennstoff) in einem Elektrolyten (Körperflüssigkeit oder Zellflüssigkeit) verwendet werden, wobei Energie erzeugt wird, die teilweise aus elektrischer Energie besteht. Durch Bereitstellung verschiedener aktiver Katalysatoren, wie beispielsweise Platin, Palladium oder Nickel, können in großen Mengen im menschlichen Körper enthaltene, Aldehyde (oder ähnliche Gruppen) umfassende Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Glukose) bei niedrigen Temperaturen in einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität aktiviert werden. Ein an der Elektrodenoberfläche vorhandener metallischer Katalysator fördert die Reaktion von Glukose mit Wasser, indem er Elektronen absorbiert und Wasserstoffionen abgibt. Diese mit dem Brennstoff angereicherte Elektrode stellt damit die Anode der Brennstoffzelle dar.The most effective and at the same time the most advanced fuel cell is the human body in which enzymes are catalytic steering the oxidation of food (fuel) in an electrolyte (body fluid or cell fluid) can be used, generating energy that is partially consists of electrical energy. By providing various active catalysts, such as platinum, palladium or nickel, can be found in large quantities in humans Hydrocarbons containing aldehydes (or similar groups) in the body (e.g. glucose) at low temperatures in a fuel cell Generation of electricity can be activated. One present on the electrode surface metallic catalyst promotes the reaction of glucose with water by generating electrons absorbs and gives off hydrogen ions. This fuel-enriched electrode thus represents the anode of the fuel cell.

Falls zusätzlich eine gleichartige, mit einem Katalysator überzogene Elektrode, der Sauerstoff zugeführt wird, in die gleiche Elektrolytlösung eingebracht wird, werden OH-Ionen abgegeben und eine Potentialdifferenz kann an den Elektroden nachgewiesen werden. Die mit Sauerstoff angereicherte Elektrode stellt natürlicherweise die Kathode der Brennstoffzelle dar, und die erzeugte Spannung ist im wesentlichen eine konstante Kenngröße des verwendeten Brennstoffmaterials.If additionally a similar one, coated with a catalyst Electrode to which oxygen is supplied is placed in the same electrolyte solution is released, OH ions are released and a potential difference can be created at the electrodes be detected. The electrode enriched with oxygen provides naturally represents the cathode of the fuel cell, and the voltage generated is substantial a constant parameter of the fuel material used.

Der in den beide Elektroden verbindenden Beitungen fließende Strom hängt von der Konzentration des Brennstoffs in der Nähe der Anode ab. In dieser Betrachtungsweise kann im folgenden das Prinzip einer in den Körper eingesetzten Brennstoffzelle zur Messung des Glukosespiegels in Körperflüssigkeit oder Blut erläutert werden.The current flowing in the contributions connecting the two electrodes depends on the concentration of the fuel near the anode. In this In the following, the principle of an inserted into the body can be considered Fuel cell for measuring the glucose level in body fluid or blood to be explained.

Einfaches Einsetzen zweier mit einem Katalysator überzogener Elektroden in den menschlichen Körper gibt jedoch kein elektrisches Ausgangssignal, da die-Anordnung nicht asymmetrisch ist. Vorkehrungen müssen getroffen werden, um die Bedingungen in der Nähe der Elektroden abzuändern. Dies ist möglich durch Anbringung der Elektroden an verschiedenen Stellen im Körper, sodaß wahlweise bestimmte Umgebungsbedingungen für die Elektroden geschaffen werden. Obwohl auf diese Weise elektrische Energie erhalten werden kann, eignet sich ein derartiges System nicht zur Messung der Glukose-Konzentration. Die Überführung der Ionen in der porösen Elektrode und dem Elektrolyten begrenzt die Reaktionsgeschwindigkeit, und der Innenwiderstand der Zelle ist dementsprechend äußerst hoch. Simple insertion of two electrodes coated with a catalyst However, there is no electrical output signal in the human body because of the arrangement is not asymmetrical. Precautions must be taken to meet the conditions in the vicinity of the electrodes. This is possible by attaching the electrodes in different places in the body, so that certain environmental conditions can be chosen for the electrodes are created. Although in this way electrical energy can be obtained, such a system is not suitable for measuring the glucose concentration. The transfer of ions in the porous electrode and the electrolyte is limited the reaction speed, and the internal resistance of the cell is accordingly extremely high.

Diese Schwierigkeit wird erfindungsgemäß überwunden durch Verwendung einer Brennstoffzelle, in der das elektrische Ausgangssignal der Zelle durch die Diffusion der Glukose begrenzt ist. According to the invention, this difficulty is overcome by use a fuel cell, in which the electrical output signal of the cell through the Diffusion of glucose is limited.

Das Bauprinzip der als Meßfühler verwendeten Glukose-Brennstoffzelle 10 und die zugeordnete Schaltung sind in Figur 1 dargestellt. Bei Brennstoffzelle 10 handelt es sich um eine durch die Diffusion gesteuerte Vorrichtung mit künstlichen Membranen und Überzugsmaterialien verschiedener Dicke und verschiedener Kenngrößen, um die Diffusionsge schwindigkeit der Glukose gegenüber der des Sauerstoffs zu verändern aufrgund verschiedener Molekülgrößen, Beweglichkeiten, oder Löslichkeiten in den die Membran und die Überzüge aufbauenden Materialien. The construction principle of the glucose fuel cell used as a measuring sensor 10 and the associated circuit are shown in FIG. With fuel cells 10 is a diffusion-controlled device with artificial Membranes and coating materials of various thicknesses and various parameters, around the Diffusionsge speed of glucose compared to that of oxygen change due to different molecule sizes, mobilities, or solubilities in the materials making up the membrane and the coatings.

Brennstoffzelle 10 und die zugeordneten Kleinstschaltkreise 12 sind in einer Außenmembran 14 eingeschlossen, die aus einem der neuentwickelten inerten Membranmaterialien mit hoher Dialysegeschwindigkeit aufgebaut ist (beispielsweise Materialien, die von den Firmen Union Carbide, General Electric und DuPont entwickelt wurden). Diese Materialien erlauben die ungehinderte Übertragung von Sauerstoff, Glukose, und anderen Verbindungen ähnlicher Molekülgröße, verhindern aber die Diffusion großer, komplizierterer Makromoleküle, wie beispielsweise Proteine, Polysacharide, Cholesterole usw. Membran 14 schafft eine Kammer 16, in der zwei mit einem Katalysator überzogene Metallelektroden 18 und 20 in einem bestimmten Abstand voneinander angebracht sind. Dabei handelt es sich um eine Anode und eine Kathode; an diesen Elektroden finden die folgenden Reaktionen statt: C6H1206(Glukose) + H20 Pt# C6H1207(Glukonsäure) + 2H+ + 2e (anodische Reaktion) (1) und :1 + Ao f 2e Pt 20H- (kathodische ~~~~~~~~ 7°2 + H20 + 2e Pt> 20H (kathodische Reaktion), (2) sodaß die Gesamtreaktion lautet: °2 + C6H12,06 - # C6H12O7 (Gesamtreaktion) (3) Die großflächigere Kathode ist mit einer dünnen Schicht einer künstlichen Membran 22 überzogen, die Wasser, Sauerstoff usw. Fuel cell 10 and the associated micro-circuits 12 are enclosed in an outer membrane 14 made of one of the newly developed inert Membrane materials are built up with high dialysis speed (for example Materials developed by Union Carbide, General Electric and DuPont became). These materials allow the unhindered transfer of oxygen, Glucose and other compounds of similar molecular size prevent diffusion large, more complicated macromolecules, such as proteins, polysaccharides, Cholesterols etc. Membrane 14 creates a chamber 16 in which two with a catalyst coated metal electrodes 18 and 20 attached at a certain distance from each other are. These are an anode and a cathode; on these electrodes the following reactions take place: C6H1206 (glucose) + H20 Pt # C6H1207 (gluconic acid) + 2H + + 2e (anodic reaction) (1) and: 1 + Ao f 2e Pt 20H- (cathodic ~~~~~~~~ 7 ° 2 + H20 + 2e Pt> 20H (cathodic reaction), (2) so that the overall reaction is: ° 2 + C6H12.06 - # C6H12O7 (overall reaction) (3) The larger-area cathode is with a thin layer of one artificial membrane 22 covered the Water, oxygen, etc.

durchläßt, jedoch der Diffusion von Glukose einen großen Widerstand entgegenstellt und damit als Sauerstoffelektrode wirkt. Die kleinere Anode 18 ist mit einer verhältnismäßig dicken Schicht eines porösen Kunststoffmaterials 24 überzogen, das die Diffusion von Glukose verhindert und den Katalysator (Platin) von Vergiftung und von mechanischer, chemischer und biologischer Einwirkung des menschlichen Körpers schützt. Die in der von der Membran geschaffenen Kammer 16 eingeschlossene Körperflüssigkeit stellt den Elektrolyt 26 für die Brennstoff zelle dar. Ein entsprechender Effekt wird auch durch eine Anionen oder Kationen austauschende Membran oder durch eine Kombination der beide Ionenarten aus tauschenden Membranen erreicht, die zwischen dem Brennstoff und der Sauerstoffelektrode eingesetzt werden und damit einen festen Elektrolyten und gleichzeitig eine Trennwand für die Halbzellen aus Brennstoff und Sauerstoff darstellen, Wenn beide Ionen austauschende Membranen gleichzeitig parallel angeordnet sind, ergibt sich ein.verbesserter Betrieb der Zelle, Rauschen und Signalwanderungen werden verringert, und Schwierigkeiten, die sich aus der Ansammlung von Wasser oder dem Ausgehen von Brennmaterial in der Sauerstoff-Halbzelle ergeben, lassen sich damit vermeiden.transmits, however, great resistance to the diffusion of glucose opposes and thus acts as an oxygen electrode. The smaller anode 18 is covered with a relatively thick layer of a porous plastic material 24, that prevents the diffusion of glucose and the catalyst (platinum) of poisoning and of the mechanical, chemical and biological effects of the human body protects. The body fluid enclosed in the chamber 16 created by the membrane represents the electrolyte 26 for the fuel cell. A corresponding effect is also by an anion or cation exchanging membrane or by a Combination of the two types of ions from exchanging membranes achieved between the fuel and the oxygen electrode are used and thus a solid Electrolytes and at the same time a partition for the half cells made of fuel and Oxygen represent when both ion-exchanging membranes are parallel at the same time are arranged, results in an improved operation of the cell, noise and signal wandering will be reduced and difficulties arising from the accumulation of water or the running out of fuel in the oxygen half-cell can be thus avoid.

Vorzugsweise wird eine platinüberzogene Elektrode verwendet, die eine katalytische Wirkung für die Dehydrierung der Aldehydgruppe in den Glukosemolektilen hat, die ihrerseits durch den Überzug 24 auf der Anode diffundiert sind und auf die Platinoberfläche aufschlagen. Die Anode ist damit die Glukoselektrode bzw. die Brennstoffelektrode. Da die Kathode bzw. Sauerstoffelektrode 20 größer ist und da Sauerstoff leichter ist und deshalb einen höheren Diffusionskoeffizienten hat, und da ferner die Diffusion von Glukose an die Anode unterbunden ist, kann die Menge der an der Kathode eintreffenden Sauerstoffmoleküle so eingestellt werden, daß stets mehr Sauerstoffmoleküle als auf der Anode auftreffende Glukosemoleküle vorhanden sind. Der von der Brennstoffzelle 10 abgegebene Strom ist damit proportional der Diffusion bzw. Preferably a platinum coated electrode is used which a catalytic effect for dehydration the aldehyde group in the glucose molectiles, which in turn through the coating 24 on the anode have diffused and hit the platinum surface. The anode is thus the Glucose electrode or the fuel electrode. Because the cathode or oxygen electrode 20 is larger and since oxygen is lighter and therefore has a higher diffusion coefficient has, and furthermore, since the diffusion of glucose to the anode is prevented, can the amount of oxygen molecules arriving at the cathode can be adjusted so that that there are always more oxygen molecules than glucose molecules hitting the anode available. The current delivered by the fuel cell 10 is therefore proportional diffusion or

der Menge der ankommenden Glukosemolekule. Dies bedeutet, daß der Strom der Glukose-Konzentration in der Körperflüssigkeit und damit der Glukose-Konzentration im Blut proportional ist.the amount of incoming glucose molecules. This means that the Flow of the glucose concentration in the body fluid and thus the glucose concentration in the blood is proportional.

Um eine Brennstoffzelle zu erhalten, deren Betrieb ausschließlich von der Glukose-Diffusion abhängt, muß ein ausreichender Sauerstoffvorrat bereitgestellt bleiben. Die folgende Bedingung muß stets für alle auftretenden Glukose-Konzentrationen erfüllt sein: wobei R den effektiven sterischen Faktor der anodischen Reaktion bedeutet; AX bezeichnet die Fläche der Elektrode oc; N bedeutet die Dichte, ausgedrückt als Molekülzahl, der Teilchenart P in der Körperflüssigkeit; D#« bezeichnet den Diffusionskoeffizienten für Molekülart S, die durch die Oberflächenschicht der Elektrode oc diffundiert; und X bezeichnet die Dicke der Oberflächenschicht auf Elektrode a Die Indices a, c, g und o kennzeichnen die Anode 18, die Kathode 20, Glukose und Sauerstoff.In order to obtain a fuel cell, the operation of which depends exclusively on glucose diffusion, a sufficient supply of oxygen must remain available. The following condition must always be fulfilled for all occurring glucose concentrations: where R is the effective steric factor of the anodic reaction; AX denotes the area of the electrode oc; N means the density, expressed as the number of molecules, of the particle type P in the body fluid; D # «denotes the diffusion coefficient for molecular type S which diffuses through the surface layer of the electrode oc; and X denotes the thickness of the surface layer on electrode a. The subscripts a, c, g and o denote the anode 18, the cathode 20, glucose and oxygen.

Die normale Beerlaufspannung der Glukosebrennstoffzelle beträgt 0.85 Volt und ist eine Konstante der durch Formel (3) beschriebenen Reaktion. Die Spannung kann mit bekannten elektrochemischen Konstanten berechnet werden und ist etwa gleich der Summe der theoretischen elektromotorischen Kraft, die sich aus den anodischen und kathodischen Reaktionen berechnet. Die Elektroden müssen nahe nebeneinander angebracht werden, sodaß die Diffusion der an den Elektroden erzeugten H+ bzw. OH Ionen nicht die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Erzeugung elektrischer Energie begrenzt. The normal beer run voltage of the glucose fuel cell is 0.85 Volts and is a constant of the reaction described by formula (3). The voltage can be calculated with known electrochemical constants and is roughly the same the sum of the theoretical electromotive force resulting from the anodic and cathodic reactions are calculated. The electrodes must be close to each other attached so that the diffusion of the H + or OH generated at the electrodes Ions do not have the reaction speed when generating electrical energy limited.

Die Klemmenspannung einer Brennstoffzelle hängt vom abgenommenen Strom ab und eine entsprechende Strom-Spannungs-Kennlinie, die gewöhnlich als Polarisationskurve bezeichnet wird, ist in Figur 2 dargestellt. Da die Glukose-Konzentration nur dem von der Brennstoffzelle abgegebenen Ausgangsstron proportional ist, muß Lastwiderstand 28 sehr klein sein, sodaß der Strom den am Endabschnitt der Polarisationskurve auftretenden Werten entspricht (d.h., in dem Bereich, in dem die Polarisationsspannung von der Glukose-Konzentration abhängt). Lastwiderstand 28 hat typischerweise Werte zwischen null und zehn Ohm. The terminal voltage of a fuel cell depends on the removed Current from and a corresponding current-voltage characteristic, usually called a polarization curve is shown in FIG. Since the glucose concentration is just that output current delivered by the fuel cell is proportional, load resistance must be 28 be very small, so that the current occurs at the end section of the polarization curve Values (i.e. in the range in which the polarization voltage depends on the Glucose concentration depends). Load resistor 28 typically has Values between zero and ten ohms.

Obwohl eine Platinmohr-Anode zweckmäßigerweise in der Glukose-Brennstoffzelle verwendet wird, lassen sich auch andere Übergangsmetalle der achten Gruppe des periodischen Systems als Brennstoffelektrode (bzw. Glukose-Elektrode) mit katalytischer Wirkung verwenden. Die in Frage kommenden Metalle (Palladium, Nickel und Platin) sind aktive Katalysatoren für heterogene Hydrierungs-Dehydrierungs-Reaktionen. Die katalytischen Eigenschaften dieser Elemente können durch ihre Aufnahmefähigkeit für Elektronen erklärt werden. Die katalytischen Eigenschaften beruhen ferner darauf, daß sich kovalente Bindungen mit den Brennstoffen über die d-Terme des Metalls während der elektrodischen Reaktion ergeben. Letztere Tatsache erklärt auch, daß Metalle, die nicht aus der Übergangsgruppe stammen, d.h. Metalle, deren d-Schalen völlig aufgefüllt sind, keine katalytische Wirkung aufweisen. Die begrenzte katalytische Wirksamkeit anderer Metalle, die nicht aus der achten Gruppe des periodischen Systems stammen, besonders der Metalle der Gruppe 1B (Gold, Silber, Kupfer usw.), wird d-s-tJbergängen zugeschrieben, bei denen Leerstellen in der d-Schale geschaffen werden. Although a platinum black anode is useful in the glucose fuel cell is used, other transition metals of the eighth group of the periodic System as a fuel electrode (or glucose electrode) with a catalytic effect use. The metals in question (palladium, nickel and platinum) are active Catalysts for heterogeneous hydrogenation-dehydrogenation reactions. The catalytic Properties of these elements can be determined by their ability to absorb electrons be explained. The catalytic properties are also based on the fact that covalent bonds with the fuels via the d-terms of the metal during the result in electrodic reaction. The latter fact also explains that metals that do not come from the transition group, i.e. metals whose d-shells are completely filled have no catalytic effect. The limited catalytic effectiveness other metals that do not come from the eighth group of the periodic table, especially of the metals of group 1B (gold, silver, copper, etc.), there will be d-s-tJ transitions attributed, in which voids are created in the d-shell.

Nur verhältnismäßig wenige Katalysatoren sind als anodische Elektroden in Brennstoffzellen verwendbar, während eine größere Zahl von Katalysatoren für die kathodische Sauerstoffelektrode zur Verfügung steht. Im Gegensatz zur katalytischen Wirksamkeit der Metalle der Gruppe 1B sind die Oxyde dieser Metalle Sauerstoffkatalysatoren mit einer Aktivität vergleichbar der der Metalle der achten Gruppe, wobei allerdings der Oxydations-Reduktions-Prozess in anderer Weise abläuft. Es wird angenommen, daß beim Reduktionsvorgang entweder Hydroxyl-Ionen (Gleichung (2)) oder ein Perhydroxyl-Ion und ein Hydroxyl-Ion entstehen: 02 + H2Q + 2e > 02H + OH- (5) Durch potentiometrische Messungen der Zeitabhängigkeit der Potentiale wurde festgestellt, daß die Reduktion an Platin sowohl in sauren als auch in basischen Elektrolyten gemäß Gleichung (2) verläuft. Platin als katalytisch wirksame, Sauerstoffelektrode ist deshalb wegen der besseren Ausnützung des Sauerstoffs vorzuziehen. Only relatively few catalysts are used as anodic electrodes usable in fuel cells, while a larger number of catalysts for the cathodic oxygen electrode is available. In contrast to catalytic Effectiveness of the Group 1B metals, the oxides of these metals are oxygen catalysts with an activity comparable to that of the metals of the eighth group, although the oxidation-reduction process takes place in a different way. It is believed, that during the reduction process either hydroxyl ions (equation (2)) or a perhydroxyl ion and a hydroxyl ion arise: 02 + H2Q + 2e> 02H + OH- (5) by potentiometric Measurements of the time dependence of the potentials were found that the reduction on platinum in both acidic and basic electrolytes according to equation (2) runs. Platinum as a catalytically active, oxygen electrode is therefore due preferable to better utilization of oxygen.

Ferner ist in Betracht zu ziehen, daß es zweckmäßiger sein kann, Metalle (oder Metalloxyde) wie Gold, Silber usw. It should also be taken into account that it may be more appropriate to Metals (or metal oxides) like gold, silver, etc.

als kathodischen Katalysator (Sauerstoffelektrode) zu verwenden, um die zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals notwendige Potentialasymmetrie zu schaffen. Diese Materialien sind zwar gute Sauerstoffelektroden mit katalytischer Wirkung, haben jedoch einen sehr geringen katalytischen Effekt im Falle von Glukose, wenn sie mit Platin, Palladium und Nickel verglichen werden. Die benötigte Asymmetrie läßt sich durch eine oder alle der folgenden Maßnahmen erreichen: 1) unterschiedliche Elektrodenflächen; 2) Steuerung der Diffusionsgeschwindigkeiten durch verschiedene Oberflächenüberzüge; und. 3) unterschiedliche Elektrodenmaterialien.as a cathodic catalyst (oxygen electrode) to use the potential asymmetry necessary to generate an electrical output signal to accomplish. Although these materials are good oxygen electrodes with catalytic Effect, but have a very low catalytic effect in the case of glucose, when compared to platinum, palladium and nickel. The asymmetry you need can be achieved by any or all of the following: 1) Different Electrode areas; 2) control the diffusion velocities through various surface coatings; and. 3) different electrode materials.

Zwar ist die Leerlaufspannung der Zelle im Gleichgewichtszustand unabhängig von der Glukose-Konzentration, doch hängt die Ladegeschwindigkeit der Zelle vom Glukose-Spiegel ab. The open circuit voltage of the cell is in a state of equilibrium regardless of the glucose concentration, yet the loading speed depends on the Cell from the glucose level.

Durch periodische Entladung der Zelle kann damit die Glukose-Konzentration auch durch Messung der Geschwindigkeit des Potentialanstiegs festgestellt werden. In anderen Betriebsformen der Brennstoffzelle kann der aus Glukose-Oxydation resultierende Temperaturanstieg gemessen werden, bzw. die durch Bildung von Glukonsäure erzeugte Änderung des pH-Werts, bzw. die Reduktion der Sauerstoff-Konzentration durch 02-Verbrauch, der sich durch die katalytische Wirkung der Elektroden ergibt, können gemessen werden, Die in den Körper einpflanzbare Vorrichtung zur Überwachung des Glukose-Spiegels muß aus körperfremden Materialien aufgebaut werden, die auch bei langdauernder Berührung mit den unter der Haut gelegenen Teilen des menschlichen Körpers sich nicht zersetzen. Dabei dürfen diese Materialien keine Reizwirkung oder andere schädliche Wirkung auf ihre Umgebung ausüben. Die bei der Entwicklung von künstlichen Nieren, Zungen, Herzen und anderen Organen erzielten Fortschritte haben zu einigen neuen Materialien geführt, deren biologische Verträglichkeit zweifelsfrei nachgewiesen wurde. Bei diesen Materialien handelt es sich um die unter den Bezeichnungen "Silastic" und "Teflon" bekannten Verbindungen, um Silikon- Kautschuke, Polyäthylen, Zellulose, halbdurchlässige hohle Fasern, Kollagene usw. Da diese Materialien im allgemeinen in verschiedenen Formen und mit verschiedener Durchlässigkeit und Porosität hergestellt werden können, sind sie für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet.By periodic discharge of the cell it can increase the glucose concentration can also be determined by measuring the rate of potential rise. In other operating modes of the fuel cell, the resultant from glucose oxidation Temperature rise can be measured, or that generated by the formation of gluconic acid Change of the pH value or the reduction of the oxygen concentration through O2 consumption, which results from the catalytic effect of the electrodes can be measured, The implantable device for monitoring glucose levels must be built from exogenous materials, even with long-term contact does not decompose with the parts of the human body located under the skin. In doing so, these materials must not have any irritating or other harmful effects exercise on their surroundings. Those involved in the development of artificial kidneys, tongues, Hearts and other organs have made advances in some new materials whose biological compatibility has been proven beyond doubt. at these materials are those under the names "Silastic" and "Teflon" known compounds to silicone Rubbers, polyethylene, Cellulose, semi-permeable hollow fibers, collagens, etc. As these materials are im generally in different shapes and with different permeability and porosity can be prepared, they are suitable for the purposes of the present invention.

Der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10 wird in einem Stromverstärker 30 mit niedrigem Bingangswiderstand verstärkt, der den der Diffusionsgeschwindigkeit der Glukose proportionalen Kurzschluß strom mißt. Die Diffusionsgeschwindigkeit der Glukose ist ihrerseits der Glukose-Konzentration im Blut proportional. Der verstärkte Ausgangsstrom wird durch einen Strom-Frequenz-Umwandler 32 in eine bestimmte Frequenz umgewandelt. Die als diese Frequenz auftretende Information über den Blutglukosespiegel wird von Sender 34 an einen an anderer Stelle befindlichen Empfänger 36 abgestrahlt. The output current of the fuel cell 10 is in a current amplifier 30 amplifies with a low input resistance, which corresponds to that of the diffusion speed the glucose measures proportional short-circuit current. The rate of diffusion the glucose in turn is proportional to the glucose concentration in the blood. The reinforced Output current is converted to a specific frequency by a current-frequency converter 32 converted. The information about the blood glucose level appearing as this frequency is emitted from transmitter 34 to a receiver 36 located elsewhere.

Figur 3 zeigt die Einzelheiten der Schaltung, die in dem in den Körper einpflanzbaren Warnsystem verwendet werden. Figure 3 shows the details of the circuit included in the in the body implantable warning system can be used.

Der von der als Glukose-Detektor wirkenden Brennstoffzelle 10 abgegebene Ausgangsstrom wird an Stromverstärker 30 angelegt.The output from the fuel cell 10 acting as a glucose detector Output current is applied to current amplifier 30.

Das verstärkte Ausgangssignal des Verstärkers 30 wird zum Aufladen eines integrierenden Kondensators 38 verwendet, wobei Spannungen erreicht werden, die höher als die von der Brennstoffzelle 10 gelieferten Spannungen sind. Integrierender Kondensator 38 wird zusammen mit einem elektronischen Bauelement niederer Leistung, beispielsweise einem Einflächentransistor 40, zur Erzeugung kurzer Impulse mit einer Prequenz von etwa i kHz verwendet. Da der Einflächentransistor nur Strom aufnimmt, wenn er Schaltungen durchführt, ist die Leistungsaufnahme der Schaltung äußerst gering. Die Schwingfrequenz des Transistors 40 ist direkt proportional dem von Brennstoffzelle 10 abgenommenen Strom. Durch Verwendung eines Strom-Frequenz-Umwandlers kann die den Blutglukosespiegel betreffen#de Information in eine Form umgesetzt werden, die sich sehr leicht an den Sender 36 übertragen läßt. Die Ausgangsimpulse des Oszillators 40 werden zur Auslösung eines regelbaren Silizium-Gleichrichters 42 mit Schaltwirkung verwendet, der einen auf etwa 1 MHz abgestimmten LC-Resonanzkreis 44 betreibt. Der stoßweise angeregte Resonanzkreis 44 erzeugt Impulse einer 1 MHz Schwingung mit einer Impulsfolgefrequenz von etwa 1 kHz. Der Ausgang des stoßweise erregten Resonanzkreises ist direkt an eine Hochfrequenz-Abstrahlplatte 46 angeschlossen.The amplified output of amplifier 30 is used for charging an integrating capacitor 38 is used, whereby voltages are achieved, which are higher than the voltages supplied by the fuel cell 10. Integrating Capacitor 38 is used together with a low-power electronic component, for example a single-faced transistor 40, to generate short Pulses with a frequency of about i kHz are used. Because the single-faced transistor only draws current when it is performing circuits, the power consumption is the Circuit extremely low. The oscillation frequency of transistor 40 is directly proportional the current drawn from fuel cell 10. By using a current-frequency converter can convert the information related to blood glucose levels into a form which can be transmitted to the transmitter 36 very easily. The output pulses of the oscillator 40 are used to trigger a controllable silicon rectifier 42 with switching action is used, which has an LC resonance circuit tuned to about 1 MHz 44 operates. The intermittently excited resonance circuit 44 generates pulses of 1 MHz Oscillation with a pulse repetition frequency of about 1 kHz. The outcome of the intermittent excited resonance circuit is connected directly to a high-frequency radiating plate 46.

Die Verwendung der Trägerfrequenz 1 MHz vergrößert den Übertragungsbereich außerhalb des Körpers und vereinfacht die Abstimmung des Empfängers, um den Einfluß von Störsignalen weitgehend zu reduzieren. Die Folgefrequenz der Hochfrequenzimpulse enthält die Information über die Glukose-Konzentration. Die Verwendung kurzer Hochfrequenzimpulse mit einem Tastverhältnis von etwa 1p % oder weniger verringert die durchschnittliche Leistungsaufnahme des Hochfrequenzsenders, was eine Verkleinerung der Batterie bzw. eine Verlängerung der Lebensdauer der Batterie bedeutet. The use of the 1 MHz carrier frequency increases the transmission range outside of the body and simplifies the attunement of the recipient to the influence to reduce interference signals to a large extent. The repetition rate of the high frequency pulses contains information about the glucose concentration. The use of short high frequency pulses with a duty cycle of about 1p% or less the average decreases Power consumption of the high-frequency transmitter, which reduces the battery or one Means extending the life of the battery.

In der vorzugsweisen Ausführungsform wird im erfindungsgemäßen Fernübertragungssystem Impuls-Kodemodulation verwendet. Der Betrieb mit Impuls-Kodemodulation stellt jedoch nur eine mögliche Betriebsart dar, und andere Modulationsarten können zur Fernmessung der Information über den Glukose-Spiegel mit einem an anderer #telle -befindlichen Empfänger verwendet werden. In the preferred embodiment, in the remote transmission system according to the invention Pulse code modulation used. Operation with pulse code modulation is, however is only one possible mode of operation, and other types of modulation can be used for remote measurement the information about the glucose level with someone else #telle -being Receivers are used.

Die Impulsfolgefrequenz beträgt etwa 1, kHz bei normalen Glukose-Spiegeiwerten; der Bereichsumfang wird durch einen Faktor +10 bestimmt. Oszillator 40 kann damit zwischen 100 Hz und 10 kHz arbeiten und hat einen Nominalwert von 1 kHz. The pulse repetition frequency is about 1. kHz with normal glucose levels; the range is determined by a factor of +10. Oscillator 40 can with it operate between 100 Hz and 10 kHz and has a nominal value of 1 kHz.

Glukose-Spiegelwerte von ein Zehntel des #Normalwerts bis zum Zehnfachen des Normalwerts können damit übertragen werden.Glucose levels from one tenth of the #normal value to ten times the normal value can thus be transferred.

Die Genauigkeit des Systems bei Fernmessungen ist sehr hoch. Unter den ungünstigsten Bedingungen, denen eine Frequenz von 100 Hz entspricht, reicht der Empfang eines Signals während einer Sekunde aus, um eine Ablesegenauigkeit von +einer Zählung zu ergeben, was einer relativen Genauigkeit von +1 Vo entspricht. Die Genauigkeit des Systems bei höheren Impulsfolgefrequenzen ist bedeutend höher und überschreitet die tatsächlich zum Betrieb des Gesamtsystems erforderliche Genauigkeit. Es ergibt sich damit im Betrieb eine Reserve, während gleichzeitig die Elektronik des Systems kompakt ist und zuverlässig arbeitet. The accuracy of the system for remote measurements is very high. Under the most unfavorable conditions, to which a frequency of 100 Hz corresponds, is sufficient the reception of a signal during one second to ensure a reading accuracy of + to give a count, which corresponds to a relative accuracy of +1 Vo. The accuracy of the system at higher pulse repetition rates is significantly higher and exceeds the accuracy actually required to operate the overall system. This results in a reserve during operation, while at the same time the electronics of the system is compact and works reliably.

Da Brennstoffzelle 10 und die zugeordneten, in Figur 3 dargestellten Bauelemente für die Fernmessung im menschlichen Körper eingeyflanzt sind, muß die Möglichkeit einer Außenabstimmung der elektronischen Kreise im System ohne einen operativen Eingriff vorgesehen werden. Dies ist möglich durch Verwendung eines Trimmerpotentiometers 48, an dem eine kleine magnetische Stange 50 angebracht ist, die ihrerseits durch einen nicht dargestellten Dauermagneten von der Außenseite des Körpers her gedreht werden kann. Durch richtiges Anlegen des Dauermagneten und Drehung um die notwendige Anzahl von Drehungen kann das mehrgängige Potentiometer 48 eingestellt werden und die Eichpunkte des Fernmeßsystems können damit verändert werden. Am günstigsten ist es, dabei die Regelung des Verstärkungsgrads des Stromverstärkers 30 in der in Figur 3 dargestellten Weise vorzunehmen. Since fuel cell 10 and the associated, in Figure 3 shown Components for remote measurement are implanted in the human body, must Possibility of external voting of the electronic circuits in the system without one surgical intervention is planned. This is possible by using a trimmer potentiometer 48, to which a small magnetic rod 50 is attached, which in turn goes through a permanent magnet, not shown, rotated from the outside of the body can be. By correctly applying the permanent magnet and rotating around the necessary Number of turns can be adjusted the multi-turn potentiometer 48 and the calibration points of the telemetry system can thus be changed. The cheapest is to thereby regulate the gain of the current amplifier 30 in the to be carried out in the manner shown in FIG.

Elektrische Leistung kann in verschiedener Weise dem System zur Überwachung des Glukose-Spiegels zugeführt werden. Electrical power can be used in various ways to monitor the system of the glucose level.

Wie in Figur 3 dargestellt, kann elektrische Leistung von einer Innenbatterie 52 abgenommen werden. Bei Bedarf können Anschlüsse zum Nachladen der Batterie über eine magnetische Kupplung in der Haut angebracht werden. In diesem Fall wird eine magnetische Batterieladevorrichtung 54 in die in den Körper eingepflanzte Überwachungsvorrichtung eingebaut. Batterieladevorrichtung 54 erhält dabei über eine magnetische Kupplung Energie von einem äußeren Elektromagnet 56 zugeführt.As shown in Figure 3, electrical power can be obtained from an indoor battery 52 can be removed. If necessary, connections for recharging the battery can be via a magnetic coupling can be placed in the skin. In this case a magnetic battery charger 54 in the monitoring device implanted in the body built-in. Battery charger 54 receives it via a magnetic coupling Energy supplied by an external electromagnet 56.

In der prinzipiellen Betriebsarts bei der der von Brennstoffzelle 10 abgegebene Strom im Stromverstärker 30 verstärkt wird, im Oszillator 40 in eine bestimmte Frequenz umgewandelt wird, und zur stoßweisen Erregung eines LC-Resonanzkreises 44 verwendet wird, ist der durchschnittliche Leistungsverbrauch der Elektronik niedrig im Vergleich zur Hochfrequenz-Spitzenleistung, die von dem stoßweise angeregten Oszillator ausgestrahlt wird. Diese Verhältnisse ergeben sich aus der periodischen Entladung der in einem Kondensator gespeicherten Energie in Resonanzkreis 44. Die hohe Hochfrequenzleistung wird dabei nur während etwa 10-20 Mikrosekunden erzeugt. In the basic mode of operation of the fuel cell 10 current output in the current amplifier 30 is amplified becomes, in the oscillator 40 is converted into a certain frequency, and for intermittent excitation of a LC resonance circuit 44 is used is the average power consumption electronics low compared to the high frequency peak power produced by the intermittently excited oscillator is emitted. These relationships arise from the periodic discharge of the energy stored in a capacitor in Resonant circuit 44. The high high-frequency power is only used for about 10-20 Microseconds generated.

Wegen des niedrigen Tastverhältnisses des Oszillators ist die durchschnittliche Leistungsaufnahme im Vergleich zur abgestrahlten HochfreQuenzenergie gering.Because of the low duty cycle of the oscillator is the average Low power consumption compared to the radiated high-frequency energy.

Nimmt man an, daß die Hochfrequenz-Abstrahlplatte 46 sich in einem Abstand von etwa 3 m vom Empfänger 36 befindet ( gur 4), und daß die normale Reichweite eines Senders im Leistungsbereich einiger Milliwatt etwa 3 m beträgt, so ergibt sich, daß-der stoßweise erregte Oszillator 44 die gewünschte Reichweite von 3 m hat, dabei aber nur Spitzenleistungen von 10 Milliwatt oder Durchschnittsleistungen von 1 Milliwatt in seinem Stromverbrauch aufweist, sogar wenn der Wirkungsgrad des Oszillators als äußerst niedrig angenommen wird. Da die Leistungsaufnahme eines Einflächentransistors vernachlässigbar klein ist außer in den kurzen Zeitabschnitten, in denen der Transistor als Stromschalter wirkt und die im Kondensator gespeicherte Ladung in den LC-Resonanzkreis überführt, stellt Verstärker 30 den Hauptver braucher dar. Bei Verwendung normaler handelsüblicher integrierter Schaltungen kann der Stromverstärker auf eine durchschnittliche Leistungsabgabe von etwa 5 Milliwatt ausgelegt werden. Die Elektronik zur Aufnahme, Verarbeitung und Übertragung der Information des den Glukose-Spiegel überwachenden Systems hat damit einen durchschnittlichen Verbrauch von etwa 10 Milliwatt, wobei die entsprechenden Tastverhältnisse und die ständige Aussendung der mit 1 Kilohertz modulierten Trägerwelle in Betracht gezogen sind, Die Leistungsaufnahme kann weiter reduziert werden durch zeitweilig aussetzende Fernübertragung der Glukose-Spiegelwerte. Erreichen läßt sich dies durch einen verhältnismäßig einfachen Zeitmarkengeber 58 mit einem Einflächentransistor. Assume that the high frequency radiating plate 46 is in one Distance of about 3 m from the receiver 36 is located (gur 4), and that the normal range of a transmitter in the power range of a few milliwatts is about 3 m, so results that the intermittently excited oscillator 44 has the desired range of 3 m has, but only peak outputs of 10 milliwatts or average outputs of 1 milliwatt in its power consumption, even if the efficiency of the Oscillator is assumed to be extremely low. Since the power consumption of a Single-surface transistor is negligibly small except in the short periods of time in which the transistor acts as a current switch and the one stored in the capacitor Charge transferred into the LC resonance circuit, amplifier 30 provides the main control consumer When using normal commercially available integrated circuits, the current amplifier designed for an average power output of about 5 milliwatts. The electronics for receiving, processing and transmitting the information from the den The glucose level monitoring system has an average consumption of about 10 milliwatts, with the appropriate duty cycle and constant Emission of the carrier wave modulated with 1 kilohertz are considered, The power consumption can be further reduced by intermittent interruptions Remote transmission of glucose levels. This can be achieved by a proportionate simple time stamp generator 58 with a single-surface transistor.

Zu dieser Einheit gehören ein 15-Minuten-Zeitmarkengeber 60 mit Schalttransistor, ein 5-Sekunden-Zeitmarkengeber 62, eine normalerweise abgeschaltete Flip-Plop-Stufe 64, und ein Schalter 66 mit einem Feldtransistor. Der Zeitmarkengeber schaltet die Meß- und Verstärkerkreise und die der Fernübertragung dienenden Kreise einmal alle 15 Minuten an. Wenn das Fernmeßsystem alle 15 Minuten einmal etwa 5 Sekunden lang in Betrieb genommen wird, so entspricht dies einem Tastverhältnis von 1:180, wodurch die durchschnittliche Leistungsaufnahme um den Faktor 180 reduziert ist. Zwar bedeutet die Verwendung der zusätzlichen Elektronik eine geringe Leistungserhöhung, doch selbst wenn dies zu einer Verdopplung der durchsinittlichen Leistungsaufnahme führen sollte, ergibt sich eine Gesamteinsparung durch eine mindestens 90-fache Reduktion der Leistungsaufnahme. Dies ist gleichbedeutend mit einer fast 100-fachen Verringerung der Batteriebelastung bzw. einer 100-fachen Erhöhung der Lebensdauer der Batterie 52, vorausgesetzt, daß die Lagerbeständigkeit der Batterie nicht die Hauptbegrenzung in diesen Betrachtungen darstellt.This unit includes a 15-minute time marker generator 60 with a switching transistor, a 5 second time stamp generator 62, a normally disabled flip-plop stage 64, and a switch 66 with a field transistor. The time stamp generator switches the Measuring and amplifier circuits and the circuits serving for long-distance transmission once all 15 minutes on. When the telemetry system is used once every 15 minutes for about 5 seconds is put into operation, this corresponds to a pulse duty factor of 1: 180, whereby the average power consumption is reduced by a factor of 180. True means the use of the additional electronics provides a small increase in performance, however even if this leads to a doubling of the average power consumption should result in a Total savings by at least one 90-fold reduction in power consumption. This is equivalent to an almost 100-fold reduction in battery load or 100-fold increase in Life of the battery 52, provided that the shelf life of the battery is not the main limitation in these considerations.

Unter bestimmten Bedingungen kann es zweckmäßig sein, durch geeignete, von Hand bedienbare Mittel den Zeitmarkengeber 58 unwirksam machen zu können. Dies läßt sich erzielen durch ein magnetisch betätigtes Zungenrelais 68, das den 15-Minuten-Zeitmarkengeber 60 überbrückt und die normalerweise abgeschaltete Flip-Flop-Stufe betätigt. Wenn Ylip-Plop-Stufe 64 im eingeschalteten Zustand-ist, wird Schalter 66 mit dem Feldtransistor in den leitenden Zustand überführt, wodurch die Batterie 52 mit der Versorgungssammelleitung 70 verbunden wird. Under certain conditions it may be useful to use suitable, manually operable means to make the time stamp generator 58 ineffective. this can be achieved by a magnetically operated reed relay 68, which is the 15-minute time marker 60 bridged and actuated the normally switched-off flip-flop stage. if If the Ylip-Plop stage 64 is switched on, then switch 66 with the field transistor transferred into the conductive state, whereby the battery 52 with the supply bus line 70 is connected.

Figur 4 zeigt als teilweises Blockschaltbild den äußeren Abschnitt des Warnsystems zur Überwachung des Glukosespiegels gemäß vorliegender Erfindung'. ~Die von Abstrahlplatte 46 (Figur 3) abgestrahlte Hochfrequenzenergie wird von Empfänger 36 empfangen. Die Modulationsfrequenz wird vom modulierten Hochfrequenzträger durch eine Trennstufe 72 abgetrennt und durch Umsetzerstufe 74 in eine Spannung umgewandelt. Die von Umsetzerstufe 74 abgegebene Spannung stellt den Blutglukose-Spiegel im lebenden Organismus als elektrisches Signal dar. Diese Spannung wird dann der Spannungsvergleichsstufe 76 zugeführt, die die Eingangsspannung mit einer anderen Spannung oder mit einem Spannungsbereich vergleicht, wobei letztere Spannungswerte normalen oder gewünschten Blutzuckerkonzentrationen äquivalent sind. FIG. 4 shows the outer section as a partial block diagram the warning system for monitoring the glucose level according to the present invention '. ~ The radiofrequency energy radiated from radiating plate 46 (Figure 3) is used by the receiver 36 received. The modulation frequency is transmitted by the modulated high-frequency carrier a separation stage 72 is separated and converted into a voltage by converter stage 74. The voltage output by converter stage 74 sets the blood glucose level in the living Organism as an electrical signal. This voltage then becomes the voltage comparison stage 76 fed that the input voltage with a different voltage or with a voltage range compares the latter voltage values with normal or desired blood sugar levels are equivalent.

In der vorzugsweisen Ausführungsform werden ferner zwei abstimmbare Bezugsspannungen 78 und 80 der Spannungsvergleichsstufe zugeführt. Diese beiden Bezugsspannungen definieren den annehmbaren Spannungsbereich für Vergleichsstufe 76. Falls die Ausgangsspannung des Freq#uenz-Spannungs-Umwandlers (die mit der Konzentration der Blutglukose im lebenden Organismus in Beziehung steht) innerhalb des von den beiden Bezugsspannungen definierten Spannungsbereichs fällt, erzeugt die Spannungsvergleichsstufe kein Ausgangssignal. Normalerweise werden die beiden Bezugsspannungen so gewählt, daß sie den Punkten entsprechen, an denen Glukose oder Insulin dem Organismus zugeführt werden müssen, um die Blutzuckerkonzentration auf normalen Werten zu halten. Für die Zwecke der Beschreibung genügt es die relativen Bezugsspannungen als positive Spannungen zu betrachten, wobei die der Glukose-Konzentration entsprechende Spannung den positiveren Wert hat. Falls die Ausgangsspannung des Frequenz-Spannungs-Umwandlers 74 die Bezugsspannung der Glukose-Konzentration übersteigt, liefert die Spannungsvergleichsstufe ein Glukose-Ausgangssignal in Leitung 82. Falls andrerseits die Ausgangs-Spannung der Umwandlerstufe unter die dem Insulin entsprechende Bezugsspannung fällt, erzeugt die Spannungsvergleichsstufe ein Insulin-Ausgangssignal in Leitung 84. Die Ausgangsleitungen der Spannungsvergleichsstufe sind an ein ODER-Gatter 86 angeschlossen, das seinerseits eine geeignete Alarmvorrichtung 88 betätigen kann. Verschiedene Alarmvorrichtungen mit optischen, akustischen und/oder anderen Wahrnehmungsreize erzeugenden Signalmitteln können den Benutzer des Systems auf den Zustand seines Blutzuckerspiegels aufmerksam machen. In the preferred embodiment, there are also two tunable Reference voltages 78 and 80 supplied to the voltage comparator stage. These two Reference voltages define the acceptable voltage range for comparison stage 76. If the output voltage of the frequency-voltage converter (the one with the concentration blood glucose in the living organism) within the range of the The voltage comparison stage generates the voltage range defined for both reference voltages no output signal. Normally the two reference voltages are chosen so that that they correspond to the points at which glucose or insulin is supplied to the organism to keep blood sugar levels at normal levels. For For the purposes of description it suffices to consider the relative reference voltages as positive Consider tensions, the tension corresponding to the glucose concentration has the more positive value. If the output voltage of the frequency-to-voltage converter 74 exceeds the reference voltage of the glucose concentration, supplies the voltage comparison stage a glucose output on line 82. If otherwise the output voltage of the converter stage falls below the reference voltage corresponding to the insulin the voltage comparison stage an insulin output in line 84. The output lines of the voltage comparator are connected to an OR gate 86 connected, which in turn can actuate a suitable alarm device 88. Various alarm devices with optical, acoustic and / or other perceptual stimuli generating signal means can the user of the system on the state of his Alert you to blood sugar levels.

Die Alarmvorrichtung wird ausgelöst, sobald die Ausgangsspannung des Frequenz-Spannungs-Umwandlers außerhalb des normalen Spannungsbereichs liegt, der durch die Eingangsbezugsspannungen für Glukose und Insulin festgelegt ist.The alarm device is triggered as soon as the output voltage of the Frequency-to-voltage converter is outside the normal voltage range that is determined by the input reference voltages for glucose and insulin.

Die Glukose und Insulin entsprechenden Ausgangssignale der Spannungsvergleichsstufe können zur Auslösung entsprechender elektrisch betätigter Ventile 90 bzw. 92 verwendet werden, Diese Ventile steuern den Fluß von Glukose bzw. The output signals of the voltage comparator stage correspond to the glucose and insulin can be used to trigger corresponding electrically operated valves 90 or 92 These valves control the flow of glucose resp.

Insulin aus den entsprechenden Vorratsbehältern 94 und 96 an den überwachten Organismus, sodaß insgesamt ein geschlossenes System entsteht. Die Vorratsbehälter für Insulin und Glukose und das zugehörige Verteilersystem können ~auch am Körper angebracht werden, wobei das verstärkte Signal der Glukose-Brennstcffzelle direkt der Spannungsvergleichsstufe zur Betätigung der entsprechenden Ventile zugeführt#werden kann.Insulin from the respective reservoirs 94 and 96 to the monitored Organism, so that a closed system is created. The storage container for insulin and glucose and the associated distribution system can ~ also on the body attached, the amplified signal of the glucose fuel cell directly # are fed to the voltage comparison stage for actuating the corresponding valves can.

In elektrochemischen Meßfühlern nimmt die Aktivität einer platinüberzogenen Oberfläche im Laufe der Zeit ab, was eine Einbuße an Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit des Ausgangssignals bedeutet. Die katalytische Elektrode des vorliegenden Glukose-Fühlers kann zur Wiederherstellung ihrer Aktivität regeneriert werden, sodaß Nacheichungen nach dem Einpflanzen in den Körper nur selten oder überhaupt nicht notwendig sind. Zur Regeneration werden kurzzeitig negative und positive Spannungsimpulse angelegt, die eine hochaktive, oxydfreie Brennstoffzellenanode ergeben. In electrochemical sensors, the activity of a platinum-coated one decreases Surface deteriorates over time, resulting in a loss of sensitivity and reproducibility of Output signal means. The catalytic electrode of the present Glucose sensors can be regenerated to restore their activity, so that Recalibrations after planting in the body rarely or not at all are necessary. For regeneration, negative and positive voltage pulses are used for a short time created, which result in a highly active, oxide-free fuel cell anode.

Während des Betriebs der als Glukose-Fühler verwendeten Brennstoffzelle kann die Platinoberfläche der Anode sich allmählich durch Oxydation der Außenoberfläche verschlechtern. During operation of the fuel cell used as a glucose sensor The platinum surface of the anode can be gradually increased by oxidation of the outer surface worsen.

Die dabei entstehenden Oxyde blockieren die Oxydation der Glukose und verringern die an der Anode verfügbare Fläche zur Oxydation der Glukose. Wenn außerdem Oxyde auf der Anodenoberfläche vorhanden sind, wird ein Teil der an der Anode zur Oxydation angelieferten Glukose bei der chemischen Reduktion des Oxydfilms verloren, sodaß nicht die gesamte vorhandene Glukosemenge infolge mangelnder Elektronenabgabe an die Anode beim Reduktionsprozeß erfaßt wird.The resulting oxides block the oxidation of glucose and reduce the area available at the anode for the oxidation of glucose. if Besides, oxides are present on the anode surface, becomes part of the at the Anode for the oxidation of glucose delivered during the chemical reduction of the oxide film lost, so that not the entire amount of glucose present due to a lack of electron donation is detected at the anode during the reduction process.

Die sich daraus ergebenden Fehler lassen sich vermeiden durch Regeneration der platinüberzogenen Elektrode entsprechend der elektrochemischen Impuls-technik, die im US-Patent 3 509 034 vom 28. April 1970 unter dem Titel Pulse-Activated Polarographic Hydrogen Detector" beschrieben wurde. Die Anode wird dabei vorübergehend zur Kathode gemacht, wobei statt Sauerstoff Wasserstoff entwickelt wird. Zum Regenerationsprozeß wird eine nicht dargestellt Vorspannungselektrode verwendet. Bei den Spannungsimpulsen handelt es sich um kurze Rechteckimpulse, die in Abständen von 20 Sekunden erzeugt werden. Die anodische-kathodische Polarisationsfolge wird etwa dreimal zum Ablauf gebracht und stets mit dem kathodisehen Teil abgeschlossen, wobei die Platinoxyd-Oberfläche zu einer hochaktiven, unregelmäßigen Platinoberfläche reduziert wird. The resulting errors can be avoided by regeneration the platinum-coated electrode according to the electrochemical pulse technology, U.S. Patent 3,509,034 issued April 28, 1970 entitled Pulse-Activated Polarographic Hydrogen Detector ". The anode temporarily becomes the cathode made, whereby hydrogen is evolved instead of oxygen. To the regeneration process will a bias electrode not shown is used. With the voltage pulses are short square-wave pulses that are generated at intervals of 20 seconds will. The anodic-cathodic polarization sequence is repeated about three times brought and always completed with the cathodic part, the platinum oxide surface is reduced to a highly active, irregular platinum surface.

Aus der obigen Beschreibung folgt, daß der Meßfühler und das Überwachungssystem gemäß vorliegender Erfindung eine genaue Bestimmung des Glukose-Spiegels in vivo zulassen, wobei die als Meßfühler wirkende Brennstoffzelle direkt in den Körper eingepflanzt wird, oder subkutan angeschlossen wird, oder in vitro verwendet wird. From the above description it follows that the sensor and the monitoring system according to the present invention, an accurate determination of the glucose level in vivo allow the fuel cell acting as a sensor directly into the body implanted, or connected subcutaneously, or used in vitro.

Aus der Beschreibung der vorzugsweisen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es dem Fachmann ersichtlich, daß zahlreiche Abänderungen im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden können, deren Umfang ausschließlich durch die folgenden Patentansprüche definiert ist. From the description of the preferred embodiment of the present Invention, it is apparent to those skilled in the art that numerous modifications in the context of the invention can be made, the scope of which is solely defined by the following Claims is defined.

Claims

PATENT CLAIMS

9 device for monitoring blood glucose levels in a living ffrorganism, characterized by an implantable in the living organism Fuel cell whose output current after being planted in the living organism is proportional to the concentration of glucose in the blood, and through a converter device (32) for converting the output current of the fuel cell into a characteristic electrical signal.

2. Apparatus according to claim l, characterized by one on the characteristic electrical signal responsive alarm device (88), which a Alarm signal generated when the electrical signal deviates from a certain value.

3. Apparatus according to claim l, characterized by a signal generating device (76) when the characteristic electrical signal deviates from a predetermined one Setpoint in one direction a glucose control signal and in the other direction provides an insulin control signal, a valve responsive to the glucose control signal (90) to control the amount of liquid glucose previously moved from a glucose supply to a living one Organism and a valve responsive to the insulin control signal (92) to control the amount of liquid insulin from an insulin supply to a living one Organism.

4. Apparatus according to claim i, characterized in that the fuel cell (10) has a chamber (16), which is provided by one for the body's own water, oxygen and glucose permeable membrane is enclosed and in one with a catalyst coated anode and spaced therefrom a cathode coated with a catalyst are arranged by means of limiting glucose diffusion in the fuel cell provided and a load resistor (28) is connected between the cathode and anode.

5. Apparatus according to claim i, characterized by one on the characteristic electrical signal responsive device for generating a Insulin control signal in the event of a deviation from the characteristic electrical signal from a predetermined target value and by a controllable by the insulin control signal Valve (92) for controlling the supply of insulin from a liquid insulin supply to the living organism

6. Apparatus according to claim k, characterized in that that the space between the anode (18) and cathode (20) of the fuel cell (10) with electrolyte (26) is felled.

7. Apparatus according to claim 4, characterized in that the anode (18) is smaller in area than the cathode (20) o

8. Apparatus according to claim 4, characterized in that on the anode (18) preventing the diffusion of glucose Funds are provided.

9. Apparatus according to claim 4, characterized in that on the Cathode (20) the inward diffusion of glucose preventing means are provided, the ensure a relatively unhindered passage of water, ions and oxygen, and the cathode is provided as an oxygen electrode.

10. Apparatus according to claim 4, characterized in that the cathode (20) and anode (18) consist of different materials.

ll. Device according to Claim 4, characterized in that the catalyst for the anode (18) platinum is provided, 12. ~ The device according to claim 4, characterized characterized in that platinum is provided as a catalyst for the cathode (20). Blank page