DE4339067A1 - Method and arrangement for the non-invasive, transcutaneous determination of substance concentrations in body fluid or human tissue - Google Patents
Method and arrangement for the non-invasive, transcutaneous determination of substance concentrations in body fluid or human tissueInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur nichtinvasiven, transkutanen Bestimmung von Stoffkonzentrationen in Körperflüssigkeit oder Gewebe des Menschen mittels Spektralphotometrie, insbesondere zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen im menschlichen Blut, z. B. Hämoglobin, Bilirubin, Glucose, Albumin, Harnstoff, Cholesterin und anderen Stoffwechselprodukten.The invention relates to a method and an arrangement for non-invasive, transcutaneous determination of substance concentrations in body fluid or Human tissues using spectrophotometry, especially for Determination of substance concentrations in human blood, e.g. B. hemoglobin, Bilirubin, glucose, albumin, urea, cholesterol and others Metabolic products.
Zur transkutanen Bestimmung von Stoffkonzentrationen mittels Spektralphotometrie und anderer optischer Methoden sind eine Reihe von Verfahren und Anordnungen bekannt geworden, die mit Extinktionsmessungen im infraroten (IR) Spektralbereich arbeiten. So ist in den Schriften EP 01 60 768 A1, US-PS 5,028,787 und US-PS 5,086,229 offenbart, die die Konzentration des Blutzuckergehaltes aus Extinktionsmessungen im NIR (nahen Infrarot)-Bereich bei mehreren (2 bis 6) diskreten Wellenlängen zu ermitteln. Aufgrund der Überlagerung des relativ geringen Meßeffekts mit der in diesem Spektralbereich hohen Grundabsorption des Wassers läßt sich mit dieser direkten Auswertemethode keine befriedigende Meßgenauigkeit erzielen. Außerdem werden infolge physiologischer Unterschiede der Menschen (Hauteigenschaften, Dicke des durchstrahlten Gewebes u. a.) die Meßergebnisse beeinflußt, so daß personenunabhängige Messungen nicht möglich sind.For the transcutaneous determination of substance concentrations using Spectrophotometry and other optical methods are a number of Methods and arrangements become known using extinction measurements work in the infrared (IR) spectral range. Such is the case in the documents EP 01 60 768 A1, U.S. Patent 5,028,787 and U.S. Patent 5,086,229, which disclose the concentration of the Blood sugar content from absorbance measurements in the NIR (near infrared) range to be determined at several (2 to 6) discrete wavelengths. Due to the Superimposition of the relatively small measurement effect with that in this spectral range high basic absorption of the water can be achieved with this direct Evaluation method does not achieve satisfactory measurement accuracy. Furthermore due to physiological differences in people (skin properties, Thickness of the irradiated tissue u. a.) influences the measurement results, so that independent measurements are not possible.
In der US-PS 4,975,681 werden die o.g. Schwierigkeiten umgangen, indem mit Standardlösungen bekannter Substanzen mit bekannten Konzentrationen Kalibriermodelle berechnet werden. Mit diesen Modellen werden im NIR gemessene Spektren dann mittels Multikomponentenanalyse nach der PCR- Methode (principal component regression) oder der PLS-Methode (partial least squares) ausgewertet. Obwohl die Personenabhängigkeit weitgehend vermindert wird, bleibt die oben erwähnte unbefriedigende Meßgenauigkeit bestehen.In U.S. Patent 4,975,681, the above. Avoided difficulties by using Standard solutions of known substances with known concentrations Calibration models are calculated. With these models in the NIR measured spectra then by means of multi-component analysis after the PCR Method (principal component regression) or the PLS method (partial least squares) evaluated. Although the dependency on people is largely reduced the unsatisfactory measurement accuracy mentioned above remains.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur nichtinvasiven, transkutanen Bestimmung von Stoffkonzentrationen im menschlichen Körper zu finden, bei der sowohl personenabhängige Störgrößen (z. B. Hauttyp) unterdrückt als auch die Dominanz der Wasserabsorption und der Einfluß der Gewebedurchblutung verringert werden.The invention is therefore based on the object of being able to noninvasive, transcutaneous determination of substance concentrations in the human body to find both person-dependent confounders (e.g. skin type) suppresses as well the dominance of water absorption and Influence of tissue blood flow can be reduced.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur nichtinvasiven, transkutanen Bestimmung von Stoffkonzentrationen in Körperflüssigkeit oder Gewebe des Menschen, bei dem mit einer Strahlungsquelle ein Meßmedium bestrahlt wird und seine unterschiedliche Absorption bei mehreren unterschiedlichen Wellenlängen als wellenlängenabhängige Intensitätsänderung gemessen wird, dadurch gelöst, daß das Meßmedium mit einer breitbandigen Strahlungsquelle bestrahlt wird, daß ein Remissions- oder Transmissionsspektrum aufgenommen wird, daß das Remissions- oder Transmissionsspektrum in Spektralintervalle eingeteilt und eine daraus resultierende Folge von Intensitätswerten die Grundlage des Auswerteprozesses bildet und daß die gesuchten Stoffkonzentrationen aus der Folge der Intensitätswerte der Spektralintervalle mittels eines künstlichen neuronalen Netzes bestimmt werden, wobei die darin enthaltenen Gewichtsmatrizen in einer Anlernphase durch zeitlich parallele Ermittlung von Intensitätswerten der Spektrenintervalle und invasiv analysierten Stoffkonzentrationen generiert werden.The task is performed using a non-invasive, transcutaneous procedure Determination of substance concentrations in body fluid or tissue of the People in whom a measuring medium is irradiated with a radiation source and its different absorption at several different wavelengths is measured as a wavelength-dependent change in intensity, solved by that the measuring medium is irradiated with a broadband radiation source that a reflectance or transmission spectrum is recorded that the Remission or transmission spectrum divided into spectral intervals and one resulting sequence of intensity values the basis of the Evaluation process forms and that the substance concentrations sought from the Follow the intensity values of the spectral intervals using an artificial one neural network can be determined, the contained therein Weight matrices in a learning phase by simultaneous determination of Intensity values of the spectral intervals and analyzed invasively Substance concentrations are generated.
Vorteilhaft wird das Remissions- bzw. Transmissionsspektrum im sichtbaren Spektralbereich aufgenommen, wenn die Bilirubinkonzentration im Blut, vorzugsweise von Neugeborenen bestimmt werden soll.The reflectance or transmission spectrum in the visible becomes advantageous Spectral range recorded when the bilirubin concentration in the blood, preferably determined by newborns.
Im NIR-Spektralbereich wird das Remissions- bzw. Transmissionsspektrum für viele andere Stoffkonzentrationen aufgenommen, wie z. B. für die Bestimmung der Konzentration des Blutzuckers.In the NIR spectral range, the reflectance or transmission spectrum for many other substance concentrations added, such as B. for determination the concentration of blood sugar.
Um Verfälschungen der aufgenommenen Spektren durch Änderung der Eigenschaften der Strahlungsquelle zu vermeiden, wird zweckmäßig ihre Spektralcharakteristik mit Hilfe von Strahlungsempfängern unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit ermittelt und ständig überwacht.To falsify the recorded spectra by changing the Avoiding properties of the radiation source will be expedient Spectral characteristics with the help of radiation receivers different spectral sensitivity determined and constantly monitored.
Bei der Aufnahme von Remissionsspektren erweist es sich als vorteilhaft, das Meßmedium in seinem Absorptionsverhalten mittels eines kompakten Meßfühlers zu erfassen, wodurch die Konstanz der Lageverhältnisse von Strahlungsquelle und Detektoreinheit am einfachsten gewährleistet wird.When recording reflectance spectra, it proves advantageous that Measuring medium in its absorption behavior by means of a compact sensor to detect, thereby the constancy of the position of the radiation source and detector unit is most easily guaranteed.
Als Meßmedium werden zweckmäßig gut durchblutete Hautpartien des Menschen, insbesondere die Mundschleimhäute verwendet. Dabei eignet sich am besten die Zunge mit ihrer Oberseite.Well-perfused areas of the skin are expediently used as the measuring medium People, especially the oral mucosa used. Here is suitable best the tongue with its top.
Die Reproduzierbarkeit der Erfassung von Remissionsspektren wird vorteilhaft dadurch erhöht, daß der Meßfühler mit Unterdruck angesaugt wird, wobei sich gute Ergebnisse bei einem Unterdruck von 40 kPa einstellen, die sowohl eine gute gleichmäßige Auflage als auch eine angeregte Durchblutung des Meßmediums bewirken. Es erweist sich von Vorteil, das Remissions- bzw. Transmissionsspektrum in Spektralintervalle mit geringer Bandbreite im Nanometerbereich einzuteilen, wobei Lücken, aber keine Überlappungen zugelassen werden. Zweckmäßig ist es, das Spektrum in gleichmäßige und lückenlos aneinandergereihte Spektralintervalle einzuteilen.The reproducibility of the acquisition of reflectance spectra becomes advantageous thereby increased that the sensor is sucked in with negative pressure, whereby set good results at a vacuum of 40 kPa, both a good even circulation as well as a stimulated blood circulation of the Effect medium. It proves to be advantageous that the remission or Transmission spectrum in spectral intervals with a small bandwidth in Classify nanometer range, with gaps, but no overlaps be allowed. It is useful to keep the spectrum in uniform and to divide the spectral intervals in a row.
Die Einteilung in schmale Spektralintervalle erlaubt durch die Vielzahl der Intensitätswerte, von denen sich nicht alle signifikant ändern, eine Vorklassifizierung zur Erkennung von Meßfehlern und veränderten Meßbedingungen, wobei die Klassen durch Einstellung definiert fehlerhafter Meßbedingungen erstellt werden. Die Vorklassifizierung kann sowohl durch einen vorgelagerten Teil des neuronalen Netzes, aber auch durch klassische statistische Methoden (Clusteranalyse) erfolgen.The division into narrow spectral intervals allows by the multitude of Intensity values, not all of which change significantly, one Preclassification for the detection of measurement errors and changed Measurement conditions, the classes defined by setting incorrect Measurement conditions are created. The pre-classification can be done by an upstream part of the neural network, but also through classic ones statistical methods (cluster analysis) are carried out.
Die Grundidee der Erfindung liegt in der Überlegung, die Meßgenauigkeit und Personenunabhängigkeit bei der nichtinvasiven transkutanen Bestimmung von Stoffkonzentrationen im Blut oder Gewebe des Menschen dadurch zu erhöhen, daß über die Erfassung vieler schmaler Spektralintervalle eine Folge von Intensitätswerten mit einem künstlichen neuronalen Netz bezüglich der Konzentration verschiedener Stoffe bewertet wird. Dazu ist zunächst ein aufwendiger Anlernprozeß des neuronalen Netzes erforderlich, der mit einer invasiven Bestimmung der Stoffkonzentration einhergehen muß. Im Ergebnis des Anlernprozesses werden im neuronalen Netz Gewichtsmatrizen generiert, die den Auswerteprozeß nicht nur schneller, sondern auch genauer machen. Das künstliche neuronale Netz erlernt selbst nach der Methode der Fehlerrückführung die Fähigkeit, dem gemessenen Spektrum den richtigen Wert der Stoffkonzentration zuzuordnen. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet - nicht zuletzt durch die umfangreiche Folge von Intensitätswerten der unterschiedlichen Spektralintervalle - auch die Möglichkeit, Fehlmessungen, die als ungültig zu bewerten sind, vor der Bewertung der Stoffkonzentration durch das künstliche neuronale Netz auszusondern, um den eigentlichen Auswerteprozeß nicht mit statistischen Fehlern zu belasten. Zur Fehlereinschränkung trägt erfindungsgemäß auch die Unterdruckansaugung eines Remissionsmeßfühlers bei.The basic idea of the invention lies in the consideration, the measuring accuracy and Person independence in the noninvasive transcutaneous determination of Increase substance concentrations in the blood or tissue of humans by that over the detection of many narrow spectral intervals a sequence of Intensity values with an artificial neural network regarding the Concentration of different substances is assessed. To do this is first a elaborate learning process of the neural network required with a invasive determination of the substance concentration must go hand in hand. As a result of Teaching process are generated in the neural network weight matrices that the Not only make the evaluation process faster, but also more precise. The Artificial neural network learns itself using the error feedback method the ability to get the correct value of the measured spectrum Assign substance concentration. The method according to the invention does not offer lastly through the extensive sequence of intensity values of the different Spectral intervals - also the possibility of incorrect measurements that are considered invalid are to be assessed before the artificial substance to separate the neural network so that the actual evaluation process is not included to burden statistical errors. Contributes to the limitation of errors according to the invention also the vacuum suction of a remission sensor.
Das oben beschriebene Verfahren wird mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur nichtinvasiven, transkutanen Bestimmung von Stoffkonzentrationen in Körperflüssigkeit oder Gewebe des Menschen, in der eine Strahlungsquelle zur Bestrahlung eines Meßmediums, wobei die Strahlungsquelle wenigstens in solchen Wellenlängenbereichen emittiert, in denen der Stoffe, dessen Konzentration zu bestimmen ist, Strahlung absorbiert, und eine Einrichtung zur Führung der in das Meßmedium ein- und aus dem Meßmedium austretenden Strahlung sowie eine Detektoreinheit vorhanden sind, dadurch realisiert, daß die Strahlungsquelle eine breitbandige Strahlungsquelle vom sichtbaren bis ins IR-Spektrum ist, daß die Einrichtung zur Führung der Strahlung einstückig ausgeführt ist, wobei die Detektoreinheit bezüglich der Strahlungsquelle starr angeordnet ist, daß die Detektoreinheit in der Lage ist, ein Remissions- oder Transmissionsspektrum mindestens in den Wellenlängenbereichen aufzunehmen, in denen die in ihrer Konzentration zu bestimmenden Stoffe konzentrationsabhängige Absorptionsänderungen aufweisen, wobei für eine Folge geeignet gewählter Spektralintervalle separate Intensitätswerte ausgebbar sind, und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Stoffkonzentration mit einem künstlichen neuronalen Netz vorhanden ist, die zum Zweck des Anlernens des neuronalen Netzes mit einem externen Rechner verknüpfbar ist und die innerhalb des Meßprozesses als Basis für die Umsetzung der Intensitätswerte aus den Spektralintervallen in Stoffkonzentrationen im neuronalen Netz enthaltene Gewichtsmatrizen aufweist.The method described above is with an arrangement according to the invention for the non-invasive, transcutaneous determination of substance concentrations in Body fluid or tissue of humans in which a radiation source is used Irradiation of a measuring medium, the radiation source at least in emitted such wavelength ranges in which the substance, the Concentration is determined, radiation absorbed, and a facility for Guidance of those entering and leaving the measuring medium Radiation and a detector unit are present, realized in that the Radiation source is a broadband radiation source from the visible to the IR spectrum is that the device for guiding the radiation in one piece is carried out, the detector unit being rigid with respect to the radiation source is arranged that the detector unit is capable of a remission or Record transmission spectrum at least in the wavelength ranges, in which the substances to be determined in their concentration have concentration-dependent absorption changes, for one consequence suitably selected spectral intervals, separate intensity values can be output, and an evaluation unit for determining the substance concentration with a artificial neural network exists for the purpose of teaching the neural network can be linked to an external computer and within of the measuring process as the basis for the implementation of the intensity values from the Spectral intervals in substance concentrations contained in the neural network Has weight matrices.
Dabei ist die Detektoreinheit vorteilhaft als Spektralanalysator ausgebildet, der entweder aus dispergierendem Element und Detektorarray (Polychromator), Detektorarray mit vorgesetztem Schmalbandfiltern oder Detektorarray mit vorgelagertem Verlaufsfilter bestehen kann.The detector unit is advantageously designed as a spectral analyzer either from a dispersing element and detector array (polychromator), Detector array with a narrow-band filter or detector array with upstream gradient filter can exist.
Eine weitere Art der Aufnahme von Spektralintervallen ist durch einen breitbandigen Strahlungsempfänger gegeben, wenn als Strahlungsquelle ein monochromatischer, durchstimmbarer Strahler eingesetzt wird.Another way of recording spectral intervals is through a given broadband radiation receiver when a radiation source monochromatic, tunable spotlight is used.
Die Einrichtung zur Führung der Strahlung beinhaltet zweckmäßig Glasfaserbündel, die zumindestens bezüglich der Auflage am Meßmedium starr miteinander verbunden sind. Vorteilhaft werden bei Remissionsmessungen die Glasfaserbündel für Bestrahlung und Aufnahme remittierter Strahlung konzentrisch geführt. Die Abbildung der remittierten Strahlung auf den Eingangsspalt eines Polychromators erfolgt dabei am besten durch eine kontinuierliche Querschnittsänderung von der Kreis- zur Spaltform.The device for guiding the radiation suitably contains Glass fiber bundles that are rigid at least with respect to the support on the measuring medium are interconnected. These are advantageous for remission measurements Glass fiber bundle for radiation and absorption of remitted radiation guided concentrically. The mapping of the remitted radiation onto the The best way to enter a polychromator is through a continuous change in cross-section from circular to slit shape.
Für Remissionsmessungen an Mundschleimhäuten wird vorteilhaft ein kompakter, löffelförmiger Meßfühler verwendet mit einer im wesentlichen einheitlichen Fläche für Strahlungsaustritt und Aufnahme der Remissionsstrahlung. Der Meßfühler weist erfindungsgemäß außer den Glasfaserbündeln an der Auflagefläche zum Meßmedium einen Gaskanal auf, der mit einer Vakuumpumpe in Verbindung steht und somit die reproduzierbare Ansaugung des Meßmediums gewährleistet.For remission measurements on the oral mucosa, a compact, spoon-shaped probe used with a substantially uniform Area for radiation exit and absorption of remission radiation. Of the According to the invention, the sensor has the glass fiber bundles on the Contact surface to the measuring medium on a gas channel with a vacuum pump is connected and thus the reproducible suction of the measuring medium guaranteed.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens zur nichtinvasiven transkutanen Bestimmung von Stoffkonzentrationen in Körperflüssigkeit oder Gewebe des Menschen realisiert, die die Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Personenunabhängigkeit derartiger Messungen erhöht. Die Anordnung zeichnet sich außerdem durch Kompaktheit, einfache Bedienbarkeit und schnelle Meßwertausgabe aus.With the arrangement according to the invention, an advantageous arrangement for Implementation of the non-invasive procedure described above transcutaneous determination of substance concentrations in body fluid or Tissue realized the accuracy, reproducibility and human Independence of such measurements increased. The arrangement draws compactness, ease of use and fast Output of measured values.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment will. The drawings show:
Fig. 1 eine Gestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Anordnung, Fig. 1 shows a design variant of the arrangement according to the invention,
Fig. 2 ein Übersichtsschema des Prinzips des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 2 is an overview diagram of the principle of the method according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in seinem prinzipiellen Vorgehen aus den Schritten:The principle of the method according to the invention consists of the steps:
- - Bestrahlung eines Meßmediums mittels breitbandiger Strahlungsquelle 1,Irradiation of a measuring medium by means of broadband radiation source 1 ,
- - Aufnahme eines Remissions- oder Transmissionsspektrums,- recording a reflectance or transmission spectrum,
- - Einteilung des Spektrums in Spektralintervalle 12, von denen eine Folge von Intensitätswerten erfaßt wird,Division of the spectrum into spectral intervals 12 , of which a sequence of intensity values is recorded,
- - Auswertung der Intensitätswerte zu einem Stoffkonzentrationswert mittels eines künstlichen neuronalen Netzes 13, wobei das neuronale Netz 13 in einem vorgelagerten Anlernprozeß mit Folgen von Intensitätswerten aus den Spektralintervallen 12 (als Eingangselemente 14) und invasiv durch Laboranalyse zeitgleich ermittelten Stoffkonzentrationen (als Ausgangselement 16) angelernt wird. Intern werden dabei Gewichtsmatrizen erzeugt, die über Hiddenelemente 15 im Meßprozeß die schnelle Umsetzung der Spektren in die zugehörige Stoffkonzentration ermöglichen.- Evaluation of the intensity values for a substance concentration value by means of an artificial neural network 13 , the neural network 13 being learned in a preceding learning process with sequences of intensity values from the spectral intervals 12 (as input elements 14 ) and invasively determined by laboratory analysis (at the same time, substance concentrations (as the output element 16 )) . Weight matrices are generated internally, which enable the spectra to be quickly converted into the associated substance concentration via hidden elements 15 in the measuring process.
Die erfindungsgemäßen Schritte des Verfahrens sind in Fig. 2 vom vorliegenden Spektrum (im Beispiel ein NIR-Spektrum) mit Einteilung des Spektrums in Spektralintervalle 12 bis zur Ausgabe der gesuchten Stoffkonzentration (hier Blutzuckerkonzentration) angegeben. Das künstliche neuronale Netz ist in diesem Fall mit 401 Eingangselementen 14, 10 Hiddenelementen 15 und einem Ausgangselement 16 angegeben. Dabei resultieren die Eingangselemente 14 aus der Einteilung des Spektralbereiches (900-1300) nm in Spektralintervalle von 1 nm Bandbreite, die das Spektrum lückenlos in eine Folge aus 401 Intensitätswerten umsetzen. Mit dieser - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - gewählten Grundvoraussetzung werden nun alle erforderlichen Schritte des Verfahrens, inklusive der bereits oben erwähnten Anlernphase des neuronalen Netzes 13, durchgeführt. Die Anlernphase zur Generierung der Gewichtsmatrizen des neuronalen Netzes 13 wird mittels einer Vielzahl der o.g. Spektren und der dazugehörigen invasiv ermittelten Stoffkonzentrationen nach der Methode der Fehlerrückführung durchgeführt. Das künstliche neuronale Netz (13) erlernt dabei selbsttätig die Fähigkeit, die richtigen Stoffkonzentrationen aus dem gemessenen Spektrum zu erkennen.The steps of the method according to the invention are shown in FIG. 2 from the present spectrum (in the example an NIR spectrum) with division of the spectrum into spectral intervals 12 until the substance concentration sought (here blood sugar concentration) is output. In this case, the artificial neural network is specified with 401 input elements 14 , 10 hidden elements 15 and one output element 16 . The input elements 14 result from the division of the spectral range (900-1300) nm into spectral intervals of 1 nm bandwidth, which convert the spectrum seamlessly into a sequence of 401 intensity values. With this basic prerequisite, which is selected without any restriction of generality, all the necessary steps of the method, including the above-mentioned learning phase of the neural network 13 , are now carried out. The learning phase for generating the weight matrices of the neural network 13 is carried out by means of a large number of the above-mentioned spectra and the associated invasively determined substance concentrations according to the error feedback method. The artificial neural network ( 13 ) automatically learns the ability to recognize the correct substance concentrations from the measured spectrum.
Das Meßverfahren soll nun anhand einer Anordnung zur transkutanen Messung des Blutzuckers - wie in Fig. 1 schematisch dargestellt - erläutert werden.The measuring method is now to be explained on the basis of an arrangement for transcutaneous measurement of the blood sugar - as shown schematically in FIG. 1.
Die Strahlung einer breitbandigen Strahlungsquelle 1, z. B. in Form einer Halogenlampe, wird über ein Glasfaserbündel 2 auf eine gut durchblutete Körperoberfläche, die Mundschleimhaut (hier soll die Zungenoberseite als Beispiel genannt sein) eingestrahlt. Die remittierte Strahlung wird über ein zweites Glasfaserbündel 3 auf den Eintrittsspalt 5 eines Polychromators 4 (als dispergierendes Element zur Spektralzerlegung der Strahlung) abgebildet. Das auf das Detektorarray 6 fallende Spektrum im Spektralbereich (900-1300) nm wird durch die Wahl der Abbildung des Spektrums und des Rasters des Detektorarrays 6 in einfacher Weise in gleichmäßige, lückenlos aneinandergereihte Spektralintervalle 12 unterteilt, die mit einer für dieses Beispiel gewählten Bandbreite von 1 nm die dem anliegenden Spektrum entsprechenden Intensitätswerte den Elementen des Detektorarrays 6 zuordnen. Die damit vom Detektorarray 6 an die Auswerteeinheit 7 abgegebene Folge von Intensitätsmeßwerten wird in dieser über ein künstliches neuronales Netz 13 (entsprechend der Darstellung von Fig. 2) bewertet. Das neuronale Netz 13 besteht bei diesem Beispiel für alle vorgesehenen Meßprozesse aus 401 Eingangselementen 14, 10 Hiddenelementen 15 und einem Ausgangselement 16. Diese Netzkonfiguration mit der darin enthaltenen Gewichtsmatrix für die Umsetzung der 401 Eingangselemente 14 in ein Ausgangselement 16 wird mit der Anlernphase auf Basis einer Vielzahl (mehrere hundert bis mehrere tausend) von Kalibrierspektren und invasiv ermittelten Konzentrationswerten endgültig festgeschrieben und kann nur bei Wiederholung des Aufnahmeverfahrens verändert werden. The radiation from a broadband radiation source 1 , e.g. B. in the form of a halogen lamp, is irradiated via a glass fiber bundle 2 onto a well-perfused body surface, the oral mucosa (here the top of the tongue should be mentioned as an example). The remitted radiation is imaged via a second glass fiber bundle 3 onto the entrance slit 5 of a polychromator 4 (as a dispersing element for spectral decomposition of the radiation). The spectrum falling in the spectral range (900-1300) nm falling on the detector array 6 is divided by the choice of the mapping of the spectrum and the grid of the detector array 6 in a simple manner into uniform, seamlessly arranged spectral intervals 12 , which have a bandwidth of for this example chosen from 1 nm assign the intensity values corresponding to the adjacent spectrum to the elements of the detector array 6 . The sequence of intensity measurement values thus output by the detector array 6 to the evaluation unit 7 is evaluated in the latter via an artificial neural network 13 (corresponding to the illustration in FIG. 2). In this example, the neural network 13 consists of 401 input elements 14 , 10 hidden elements 15 and one output element 16 for all of the measurement processes provided. This network configuration with the weight matrix contained therein for the conversion of the 401 input elements 14 into an output element 16 is finalized with the learning phase on the basis of a large number (several hundred to several thousand) of calibration spectra and invasively determined concentration values and can only be changed when the recording process is repeated .
Die auf Basis der Kalibrierspektren erzeugte Gewichtsmatrix des neuronalen Netzes 13 ermittelt im laufenden Meßprozeß der Anordnung den Blutzuckerwert, der sodann von einem LC-Display 8 angezeigt wird. Die Auswerteeinheit enthält zur Aufbereitung der Eingangselemente 14 des neuronalen Netzes 13 Detektorarray -Ansteuer- und -Ausleseeinheit, ADU, Konstantstromquelle für die Strahlungsquelle 1 sowie Stromversorgung, Signalverstärkung und A/D- Wandlung für die Strahlungsempfänger 9. Mit den in unterschiedlichen Spektralbereichen empfindlichen Strahlungsempfängern 9 ist eine einfache Lösung angegeben, die die spektrale Charakteristik der Strahlungsquelle 1 überwacht, um daraus resultierende Veränderungen in Remissions- oder Transmissionsspektren zu korrigieren. Weiterhin enthält die Auswerteeinheit 7 einen Mikroprozessor mit Speichereinheit zur Meßablaufsteuerung und Signalaufbereitung. Über den Mikroprozessor erfolgt die auf dem künstlichen neuronalen Netz 13 basierende Ermittlung der Stoffkonzentration (hier: Blutzucker). Dabei erfolgt im Mikroprozessor im wesentlichen lediglich die Verknüpfung der Intensitätsmeßwerte mit der gespeicherten Gewichtsmatrix, die über einen externen Rechner im sogenannten, oben beschriebenen Anlernprozeß generiert wurde.The weight matrix of the neural network 13 generated on the basis of the calibration spectra determines the blood sugar value in the current measurement process of the arrangement, which is then displayed on an LC display 8 . To process the input elements 14 of the neural network 13, the evaluation unit contains a detector array control and readout unit, ADC, constant current source for the radiation source 1 as well as power supply, signal amplification and A / D conversion for the radiation receiver 9 . The radiation receivers 9 , which are sensitive in different spectral ranges, provide a simple solution which monitors the spectral characteristics of the radiation source 1 in order to correct the resulting changes in reflectance or transmission spectra. The evaluation unit 7 also contains a microprocessor with a memory unit for measuring sequence control and signal processing. The microprocessor is used to determine the substance concentration based on the artificial neural network 13 (here: blood sugar). The microprocessor essentially only links the intensity measurement values to the stored weight matrix, which was generated by an external computer in the so-called learning process described above.
Um reproduzierbare Meßbedingungen (Anlage des Meßfühlers, aber auch gleichmäßige Durchblutung des Meßmediums) an der Zungenoberseite zu erreichen, wird diese durch Unterdruck von ca. 40 kPa an die Fläche 10 des Meßfühlers angesaugt. Dazu ist an den Glasfaserbündeln 2 und 3 zusätzlich ein Gaskanal 11 mit Verbindung zu einer Vakuumpumpe vorgesehen, der sich ringförmig konzentrisch um die Endflächen der Glasfaserbündel 2 und 3 erstreckt.In order to achieve reproducible measuring conditions (application of the sensor, but also uniform blood flow to the measuring medium) on the upper side of the tongue, this is sucked into the surface 10 of the sensor by a vacuum of approx. 40 kPa. For this purpose, a gas channel 11 is additionally provided on the glass fiber bundles 2 and 3 , with a connection to a vacuum pump, which extends in a ring concentrically around the end faces of the glass fiber bundles 2 and 3 .
Zur Kontrolle der Einhaltung der Meßbedingungen werden die aufgenommenen Spektren vorteilhaft vor der eigentlichen Auswertung einer zusätzlichen Vorklassifikation unterzogen. Ziel der Vorklassifizierung ist eine möglichst standardisierte Spektrenaufnahme. Die Klassifizierung erfolgt entweder durch einen dem neuronalen Netz 13 vorgelagerten zusätzlichen Teil des neuronalen Netzes 13 und/oder durch klassische statistische Verfahren (z. B. Clusteranalyse - siehe Fahrmeier/Hamerle: "Multivariate statistische Verfahren", Berlin, New York, 1984). Entsprechend der Klassenzuordnung erfolgt die weitere Auswertung. Die Erstellung der Klassen erfolgt auf der Basis einer größeren Anzahl von Spektren, die mit definierten Fehlereinflüssen durch simulierte Handhabungsvarianten und Fehlbedienungen der Meßvorrichtung (zu starker oder zu geringer Druck, Verkanten des Meßfühlers etc.) aufgenommen wurden.To check compliance with the measurement conditions, the recorded spectra are advantageously subjected to an additional pre-classification before the actual evaluation. The aim of the pre-classification is to obtain the most standardized spectrum recording possible. The classification is carried out either by an additional part of the neural network 13 upstream of the neural network 13 and / or by classic statistical methods (eg cluster analysis - see Fahrmeier / Hamerle: "Multivariate statistical method", Berlin, New York, 1984). Further evaluation is carried out according to the class assignment. The classes are created on the basis of a larger number of spectra, which were recorded with defined error influences through simulated handling variants and incorrect operation of the measuring device (too much or too little pressure, tilting of the sensor, etc.).
BezugszeichenlisteReference list
1 Strahlungsquelle
2 Glasfaserbündel
3
4 Polychromator
5 Eintrittsspalt
6 Detektorarray
7 Auswerteeinheit
8 LC-Display
9 Strahlungsempfänger
10 Fläche
11 Gaskanal
12 Spektralintervalle
13 neuronales Netz
14 Eingangselemente
15 Hiddenelemente
16 Ausgangselement 1 radiation source
2 fiber optic bundles
3rd
4 polychromator
5 entry gap
6 detector array
7 evaluation unit
8 LC display
9 radiation receivers
10 area
11 gas channel
12 spectral intervals
13 neural network
14 input elements
15 hidden elements
16 output element
Claims (25)
- - das Meßmedium mit einer breitbandigen Strahlungsquelle (1) bestrahlt wird,
- - ein Remissions- oder Transmissionsspektrum aufgenommen wird,
- - das Remissions- oder Transmissionsspektrum in Spektralintervalle eingeteilt und eine daraus resultierende Folge von Intensitätswerten die Grundlage des Auswerteprozesses bildet und
- - die gesuchten Stoffkonzentrationen aus der Folge der Intensitätswerte der Spektralintervalle (12) mittels eines künstlichen neuronalen Netzes (13) bestimmt werden, wobei die darin enthaltenen Gewichtsmatrizen in einer Anlernphase durch zeitlich parallele Ermittlung von Intensitätswerten der Spektralintervalle (12) und invasiv analysierten Stoffkonzentrationen generiert werden.
- the measuring medium is irradiated with a broadband radiation source ( 1 ),
- a reflectance or transmission spectrum is recorded,
- - The reflectance or transmission spectrum is divided into spectral intervals and a resulting sequence of intensity values forms the basis of the evaluation process and
- - The substance concentrations sought are determined from the sequence of the intensity values of the spectral intervals ( 12 ) by means of an artificial neural network ( 13 ), the weight matrices contained therein being generated in a learning phase by determining intensity values of the spectral intervals ( 12 ) and invasively analyzed substance concentrations in parallel over time .
- - die Strahlungsquelle (1) eine breitbandige Strahlungsquelle vom sichtbaren bis im IR-Spektrum ist,
- - die Einrichtung zur Führung der Strahlung einstückig ausgeführt ist, wobei die Detektoreinheit bezüglich der Strahlungsquelle (1) starr angeordnet ist
- - die Detektoreinheit in der Lage ist, ein Remissions- oder Transmissionsspektrum mindestens in den Wellenlängenbereichen aufzunehmen, in den die in ihrer Konzentration zu bestimmenden Stoffe konzentrationsabhängige Absorptionsänderungen aufweisen, wobei für eine Folge geeignet gewählter Spektralintervalle (12) separate Intensitätswerte ausgebbar sind und
- - eine Auswerteeinheit (7) zur Bestimmung der Stoffkonzentration mit einem künstlichen neuronalen Netz (13) vorhanden ist, die zum Zweck des Anlernens des neuronalen Netzes (13) mit einem externen Rechner verknüpfbar ist und die innerhalb des Meßprozesses als Basis für die Umsetzung der Intensitätswerte aus den Spektralintervallen (12) in Stoffkonzentrationen im neuronalen Netz (13) enthaltene Gewichtsmatrizen aufweist.
- - The radiation source ( 1 ) is a broadband radiation source from the visible to the IR spectrum,
- - The device for guiding the radiation is made in one piece, the detector unit being rigidly arranged with respect to the radiation source ( 1 )
- - The detector unit is able to record a reflectance or transmission spectrum at least in the wavelength ranges in which the substances to be determined in their concentration have concentration-dependent absorption changes, separate intensity values being output for a sequence of suitably selected spectral intervals ( 12 ) and
- - An evaluation unit ( 7 ) for determining the substance concentration with an artificial neural network ( 13 ) is available, which can be linked to an external computer for the purpose of teaching the neural network ( 13 ) and within the measurement process as the basis for the implementation of the intensity values has weight matrices contained in the spectral intervals ( 12 ) in substance concentrations in the neural network ( 13 ).
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