Brevet FR2393296A1 — publié le 19781229

La présente invention concerne un procéde extrêment pre- cis d'analyse quantitative de substances optiquement actives, même en très faibles concentrations, dans le sang ou autres solutions aqueuses ou non aqueuses, ainsi qu'un appareil correspondant, pro cedé et appareil qui conviennent particulièrement bien pour la détermination du glucose. Suivant-l'invention, analyse des constituants optiquement actifs peut s'effectuer aussi bien sans lesion in vivo, c'est-à-dire directement sur l'organisme vivant qu'in vitro, par exemple sur des échantillons de sang ou d'urine ou autres solutions du compose optiquement actif à déterminer, talque, par exemple, le glucose. I1 est déjà connu que la concentration de glucose, principalement dans le sérum, peut être déterminée, soit par voie enzymatique, soit par exemple par colorimétrie visuelle, titrimetrie ou photométrie (méthode à l'acide picrique, méthode à la glucoxoxyclase, à la peroxydase, à llhexokinase). D'aprèsles D.O.S. 2.200.119 et 2.326.265, il est en outre connu qu'on peut implanter dans un organisme vivant une cellule à combustible qui, par l'intermédiaire d'un dispositif télémétrique, convertit quelques valeurs mesurées caractéristiques (valeur du pH, concentration en glucose, etc.) en signaux électriques. I1 a déjà été également proposé de déterminer la concentration de glucose du sang par une mesure d'absorption à une longueur d'onde de lumière déterminée (cf le U.S.P. 3 958 560 : A = 0,975 ,m ainsi que N. Kaiser, Optics Communication 11, n02 (1974) : Z = 9,80 P m). De telles mesures se heurtent toutefois à des difficultés fondamentales, car les molécules concernées présentent une multiplicité presqu'imprévisible de bandes d'absorption, qui ne peuvent être séparées les unes des autres par une technique de mesure que très difficilement. Etant donné que les procédés classiques de détermina t ion du glucose, par exemple dans le sang, exigent la plupart du temps le prélèvement d'un échantillon sanguin et par conséquent, une agression lésionnelle de l'organisme vivant, prélèvement qui, outre la dépense considérable en matériel et en frais comporte des risques d'infection (par exemple infection hépatique), il existe actuellement un besoin croissant de mise au point de procédé d'analyse non lésionnels et d'appareils correspondants pouvant être utilisés en particulier dans la pratique médicale et clinique, dans le domaine privé, par exemple pour la détermination du sucre sanguin pour les dia bétiques ainsi qu'en pharmacologie, en biochimie et en analytique chimique générale. L'invention a pour but de créer un procédé ex*remement précis ainsi qu'un appareil extrêmement sensible pour la determination quantitative de substances optiquement actives, pouvant être utilisés aussi bien de - maçon non lésionnelle in vivo qu'indépendamment in vitro, en particulier pour la détermination du glucose. Le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que la concentration de la substance à déterminer est obtenue par polarimétrie en mesurant la rotation du plan de polarisation optique. L'appareil suivant l'invention comporte essentiellement les éléments suivants :- en premier lieu, une source lumineuse et un polariseur tels que par exemple un laser ou une diode laser , un élé- ment de mesure de l'échantillon, un diviseur de faisceau, un analyseur et des détecteurs pour l'analyseur et pour un signal de référence; en second lieu, un amplificateur générateur de différence, un amplificateur de signal et un élément d'alimentation en courant; et en troisième lieu, un dispositif d'affichage analogique ou numérique de la concentration de la substance optiquement active et, par exemple, de la concentration du glucose et/ ou un dispositif de détermination de la vitesse de variation de la concentration de la substance optiquement active, ainsi qu'un dispositif d'affichage cor- respondant et, éventuellement, un dispositif destiné à émettre un signal d'avertissement acoustique et/ou optique lorsqu'une valeur limite de concentration supérieure ou inférieure ajustable déterminée est atteinte. Le procédé suivant l'invention ne présente pas les inconvénients des procédés antérieurs et permet en outre une mesure transcutanée directe du niveau du glucose sanguin. Le procédé peut être mis en oeuvre sans créer de lésion, rapidement, d'une manière fiable et reproductible et n'exige que l'utilisation d'un appareil relativement simple. Le procédé suivant l'invention est basé sur les principes de la polarimétrie. L'appareil suivant l'invention permet, outre l'analyse in vitro, par exemple la détermination du niveau de glucose sanguin dans un organisme humain ou animal à un emplacement facile à irradier, par exemple le lobe de l'oreille ou un pli de l'é- piderme et fournit grâce à son concept des valeurs mesurées fiables avec, en même temps, des volumes d'échantillon minimaux et une di-. mension totale réduite. Une autre forme d'exécution de l'appareil, destinée à des mesures in vitro dans lesquelles des exigences peu impératives sont imposées au point de vue des dimensions, permet l'analyse quantitative d'une substance optiquement active dans un échantillon indépendant avec une grande précision de mesure. Suivant l'invention, on mesure la rotation du plan de polarisation d'un rayonnement polarisé linéairement à la traverséed'une substance o:ptiquement active. La précision de mesure doit être élevée (10 à 10 degré). L'épiderme irradié et les parties du tis- su situées au voisinage de l'emplacement de mesure ont un effet dépolarisant qui peut être corrigé dans une large mesure par des moy ens optiques (plaquettes 4 ou quart d'onde). 4 Lors de la détermination du glucose sanguin, il existe toutefois, en raison de la présence d'autres substances optiquement actives dans le sang, une rotation "de fond", de sorte que le procédé dans le cas le plus simple ne fournit qu'une mesure relative. Cette difficulté est néanmoins surmontée grâce à la possibilité de separer la rotation de fond de rotation produite par le glucose en raison de leurs comportements très différents dans le temps.Alors que, lors de la variation delta concentration du-glucose dans le sang, une fréquence maximale d'environ 8.10 Hz peut être mesurée, les graisses sanguines optiquement actives, par exemple (cholestérine, lipides ou analogues) modifient leurs valeurs moyennes de rotation avec une fréquence maximale d'environ 10 5Hz; grâce à ce comportement, on peut suivant l'-invention effectuer une séparation des deux rotations lors du traitement du signal. Par différenciation de la tension du signal séparation des basses fréquences (filtre passe-haut) et intégration subséquente, il est possible d'obtenir une mesure absolue de la concentration du glucose. Le comportement en amplitude et en phase du filtre passe-haut peut alors être ajusté de telle manière que la to talité de la bande de fréquence de la rotation purement due au glucose soit reconstituée. Dans l'appareil suivant l'invention, la partie polarimétrique (optique) miniaturisée ou microminiaturisée peut être separée de la partie alimentation en courant et traitement du signal, ce qui est avantageux pour les mesures in vivo. Dans une autre forme d' exécution de l'appareil destinée-à des mesures in vitro, cette séparation peut également être supprimée. L'affichage de la concentration de la substance optiquement active à déterminer, par exemple du niveau du glucose sanguin, peut s'effectuer dans la partie alimentation en courant ou également en particulier, séparément de cette partie, par exemple sous la ford'un affichage numérique, comme dans une montre-bracelet. Dans ce cas, l'augmentation ou la réduction du sucre sanguin peuvent être indiquées par exemple en réponse à l'enfoncement répété d'une touche ou au moy en. d'un signal optique. De même, un signal d'avertissement acoustique et/ou optique peut également être émis lorsque'un seuil supérieur ou inférieur réglable de signal et, par conséquent, de concentration est atteint. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés uniquement à titre d'exemple la Fig.l représente le principe du procédé suivant l'in- vention; la Fig.2 représente un polarimètre permettant la mise en oeuvre de ce procédé; la Fig.3 est une vue de principe d'un appareil suivant l'invention; la Fig.4 représente le principe de la mesure absolue du niveau de glucose; la la Fig.5 représente un exemple d'exécution de l'appareil suivant l'invention, et la Fig.6 est un diagramme illustrant une mesure in vitro effectuée au moyen d'un appareil basé sur le principe de la Fig.3. Sur la Fig.1 est représenté le principe du procédé suivant l'invention. La lumière polarisée linéairement émise par la source 1 (laser, diode laser ou source lumineuse avec polariseur) de longueur d'onde À traverse l'échantillon 3 puis la plaquette quart d'onde 4 et l'analyseur 6 et parvient au détecteur 7 (photomultiplicateur, photodiode, phototransistor, etc.). Le détecteur convertit l'in tensité lumineuse en un signal électrique qui, après amplification dans l'amplificateur 9, est affiché et/ou enregistré au moyen d'un dispositif indicateur ou émetteur 10. Le shéma de la Fig.2 représente un polarimètre, dont la sensibilité est indépendante de l'intensité lumineuse absolue. La lu mière polarisée, après avoir traversé l'échantillon 3 et la plaquette quart tonde 4, vient frapper un diviseur de faisceau 5, qui sépare un faisceau de référence qui est converti dans le détecteur 7a en un signal électrique. A la sortie de l'amplificateur ou générateur de différence 8, on dispose de la différence entre la sortie du détecteur 7 et celle du détecteur 7a sous la forme d'un signal qui est amplifié dans l'amplificateur 9 et est affiché et/ou enregistré dans le dispositif indicateur ou émetteur 10. Une autre amélioration et une augmentation de sensibili- té pouvez être obtenues au moyen de l'appareil suivantl'invention représenté sur la Fig.3 sous la forme de schema de principe. Dans cet appareil, la lumière polarisée émisep-la source 1 est tout d'abord modulée en fréquence, en phase ou amplitude par un générateur 11 dans un modulateur 2. La sùite du traitement du signal s'effectue comme sur la Fig.2 mais dans cette variante les amplificateurs 8 et 9 peuvent être des amplificateurs de courant alternatif.En ou- tre, l'amplificateur 9 peut être selon le type de modulation dans le modulateur 2, un amplificateur sélectif avec démodulateur de fréquence, de phase ou d'amplitude (par exemple un amplificateur à verrouillage (désignation anglaise "lock-in amplifier"). De cette manière, le rapport signal/bruit-est au moins multiplié par 10. Sur la Fig.4 est réprésenté le principe de mesure permettant une mesure absolue du niveau de glucose. Jusqu'à la sortie de l'amplificateur 9, on procède comme sur la Fig.3. Cette partie du montage est suivie d'un élément différenciateur 12, d'un filtre passe-haut 13 et d'un intégrateur 14. Ensuite, une nouvelle amplification a lieu dans un amplificateur 15 et lé-résultat est indiqué et/ou enregistré en 10. Un exemple de réalisation pratique de l'appareil est représenté sur la Fig.5. La partie optique (polarimétrique) miniaturisée est incorporé à l'élément de mesure 1 qu'on fixe, par exemple, sur le lobe de l'oreille. Dans le boîtier 2 sont logées l'alimentation en courant et la partie traitement du signal; cette partie de l'appareil peut être placée par exemple dans une poche de veste. L' affichage est assuré par un dispositif indicateur 3 qu'on porte par exemple au poignet à la manière d'une montre-bracelet ou d'une autre manière à un emplacement aisément accessible; le dispositif indicateur peut en.-outre être incorporé à un bijou (bracelet, bague, etc.). L'appareil peut également comprendre un petit calculateur avec imprimante ainsi qu'un générateur à base de temps pour l'enre-gistrement automatique des valeurs de concentration de la substance otique active et par exemple des valeurs du glucose, du sang. Tous les composants de l'appareil peuvent être logés dans un seul et même boîtier. Sur la Fig.6 est reproduit un diagramme relatif à une mesure in vitro effectuée avec un appareil basé sur le principe de la-Fig.3. Pour obtenir cette mesure, on a tout d'abord pompé de 1' eau puis une solution de glucose concentrée, d'une teneur en glucose de 5 mmol/l, puis à nouveau de l'eau, a travers la cuvette de mesure de l'appareil. La mesure a été effectuée à deux intensités lumineuses différentes (0,25 et 0,65 mN). On obtient ainsi une sensibilite suffisante qui, en fait, est indépendante de l'intensité absolue. Un autre avantage particulier de l'invention réside en ce que, par exmple, lors d'une mesure in vitro, on peut distinguer entre des substances optiquement actives lévogyres et dextrogyres. La longueur d'onde du rayonnement utilisé peut être choisie depuis la région des ultra-violets jusqu'aux infra-rouges lointains et même jusqu'aux ondes radio-électriques. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination quantitative transcutanee ou subcutanée effectuée de façon non lésionnelle ou in vitro de la concentration de substances optiquement actives-et, en particulier, de la concentration du glucose dans le sang, le plasma ou le sérum d'organimes vivants, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'on obtient la concentration de la substance à déterminer -par polarimétrie en mesurant la valeur de la rotation du plan de polarisation optique. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure est effectuée électroniquement sans moyen mécanique. 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le faisceau de mesure, en vue d'obtenir une valeur mesurée indépendante de l'intensité absolue de la source de rayonnement, est divisé en un faisceau de référence et en un faisceau de mesure proprement dit, après quoi est engendre à partir du signal de référence et du signal de mesure relatif à l'échantillon, un signal-différence proportionnel à la concentration de la substance optiquement active à déterminer. 4. Procédé suivant l'une-quelconque des revendications 1 à 3, caracterisé en ce que la lumière polarisee est modulée en fréquence, en phase ou en amplitude. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on utilise comme amplificateur de signal, un amplificateur sélectif ainsi qu'un dispositif de démodulation correspondant tel que par exemple un amplificateur à verrouillage. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le signal est subdivisé, par exemple par différenciation ou par séparation de bandes de fréquence, en deux ou plus de deux composantes de signal ayant des comportements différents dans le temps et est ensuite intégré. 7. Procédé suivant l'une quelconque des renvendications 1 à 6, caractérisé en ce que des substances optiquement-actives lé- vogyres et dextrogyres sont déterminées quantitativement in vitro dans le même échantillon. 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on utilise un polarimètre ayant une sensibilité de mesure meilleure que 10 5degre d'angle. 9. Appareil permettant la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications I à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une source lumineuse et un polariseur tels que par exemple, un laser ou une diode laser, un élément de mesure del'é- chantillon, un diviseur de faisceau, un analyseur, des détecteurs pour l'analyseur et pour un signal de référence; un amplificateur générateur de différence, un amplificateur de signal un élément d' alimentation en courant, un dispositif d'affichage analogique ou nu mérique de la concentration de la substance optiquement active et, par exemple , de la concentration du glucose et/ou un dispositif de détermination de la vitesse de variation de la concentration de la substance optiquement active ainsi qu'un dispositif d'affichage cor- respondant et, éventuellement, un dispositif destiné à émettre un signal d'avertissement acoustique et/ou optique lorsqu'une valeur limite de concentration supérieure ou inférieure ajustable déterminée est atteinte. 10 Appareil suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif d'affichage numérique est conformé à la manière d'une montre-bracelet numérique. 11. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'il comporte un petit calculateur avec imprimante ainsi qu'un générateur à base de temps pour l'enregistrement automatique des valeurs de concentrations de la substance optiquement active et, par exemple, des valeurs du glucose sanguin. 12. Appareil suivant la revendiacation 9, caractérisé en ce que les composants sont tous logés dans un seul et même boîtier.