СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АНАЛИТА И СИСТЕМА С КОМПЕНСАЦИЕЙ ГЕМАТОКРИТА
METHOD OF MEASURING ANALYTE AND SYSTEM WITH HEMATOCRIT COMPENSATION

Настоящая заявка испрашивает, на основании Парижской конвенции, §§ 119, 120 или 365 статьи 35 Свода законов США, преимущества приоритета по предварительной заявке на патент США №61/382234, поданной 13 сентября 2010 г., озаглавленной «Способ измерения аналита и система с компенсацией гематокрита» (досье патентного поверенного № DDI5202USPSP), которая полностью включена в настоящий документ путем ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электрохимические датчики применяются для определения наличия или измерения концентрации веществ в пробах текучей среды. Электрохимические датчики содержат смесь реагентов, состоящую из по меньшей мере переносчика электронов (также называемого «медиатор электронов»), специфического для данного аналита биокаталитического белка (например, определенный фермент) и одного или более электродов. Подобные датчики используют передачу электронов между медиатором электронов и поверхностями электрода. Датчики производят измерение электрохимических окислительно-восстановительных реакций. При использовании в составе электрохимической биосенсорной системы или устройства реакции передачи электронов отслеживают по электрическому сигналу, который зависит от концентрации измеряемого аналита в пробе текучей среды.
Использование подобных электрохимических датчиков для определения аналитов в биологических текучих средах, например в крови или продуктах крови, слезах, моче и слюне, очень важно, а в некоторых случаях - жизненно необходимо для поддержания здоровья некоторых людей. Например, больным сахарным диабетом необходимо контролировать содержание определенных веществ в биологических текучих средах своего организма. Существует ряд систем, способных анализировать биологические текучие среды, такие как кровь, моча или слюна, что обеспечивает удобный контроль уровня конкретного составляющего данной текучей среды, например холестерина, белков и глюкозы. Пациентам, страдающим сахарным диабетом - расстройством поджелудочной железы, при котором недостаточная выработка инсулина не позволяет надлежащим образом усваивать сахар - необходим строгий ежедневный контроль уровня глюкозы в крови. Регулярная проверка и контроль уровня глюкозы помогает снизить риск серьезного поражения глаз, нервной системы и почек у людей, страдающих сахарным диабетом.
Присутствие в крови некоторых компонентов, способных нежелательным образом повлиять на процесс измерений и вызвать неточности определяемого сигнала, может негативно сказаться на работе электрохимических биодатчиков. Такая неточность может привести к неточности показаний уровня глюкозы и пациент может не узнать, например, о потенциально опасном уровне содержания сахара в крови. Например, уровень гематокрита крови (то есть процентная доля объема крови, занятая эритроцитами) может приводить к ошибке полученного результата измерения концентрации аналита.
Отклонения в значениях объема, занимаемого эритроцитами в крови, могут приводить к отклонениям в показаниях уровня глюкозы, измеряемых с помощью одноразовых электрохимических тест-полосок. Как правило, смещение в отрицательную сторону (то есть заниженная вычисленная концентрация аналита) наблюдается при высоком гематокрите, а смещение в положительную сторону (то есть завышенная вычисленная концентрация аналита) наблюдается при низком гематокрите. Например, при высоком уровне гематокрита эритроциты могут препятствовать реакции ферментов и электрохимических медиаторов, уменьшать скорость химического растворения из-за уменьшенного объема плазмы, необходимой для сольватирования химических реагентов, и замедлять диффузию медиатора. В результате действия этих факторов показания уровня глюкозы будут меньше ожидаемых в связи с низкой выработкой тока при проведении электрохимической реакции. Напротив, при низком гематокрите на электрохимическую реакцию может воздействовать меньшее количество эритроцитов, чем ожидается, и, следовательно, измеряемый ток может быть выше. Кроме этого, от гематокрита также зависит сопротивление пробы крови, что может повлиять на результаты измерения напряжения и/или тока.
Для снижения или устранения отклонений в значениях уровня глюкозы, связанных с гематокритом, применяют несколько стратегий. Например, были разработаны тест-полоски, включающие в себя сетки для удаления эритроцитов из проб или содержащие различные соединения или композиции, предназначенные для повышения вязкости эритроцитов и снижения влияния низкого гематокрита на определение концентраций. Другие тест-полоски содержат лизирующие вещества и системы, выполненные с возможностью определения концентрации гемоглобина для корректировки гематокрита. Дополнительно были разработаны биодатчики с возможностью измерения гематокрита путем измерения оптических колебаний после облучения пробы крови светом или измерения гематокрита в зависимости от времени заполнения камеры пробой. Эти датчики имеют ряд недостатков.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявители выявили потребность в системе и способе, которые можно использовать для точного определения концентрации глюкозы и которые лишены недостатков, характерных для данной области применения.
В свете вышеизложенного и в соответствии с одним аспектом изобретения предлагается способ управления системой измерения аналита, включающей измерительный прибор и тест-полоску. Тест-полоска может содержать контрольный электрод, первый рабочий электрод и второй рабочий электрод, причем первые электроды покрыты слоем реагента. Измерительный прибор может содержать электрическую цепь для приложения тестового напряжения между контрольным электродом и первым рабочим электродом и для приложения второго тестового напряжения между контрольным электродом и вторым рабочим электродом. Измерительный прибор также может содержать процессор обработки сигналов для измерения множества тестовых токов и вычисления концентрации глюкозы на основании тестовых токов. Способ может быть реализован этапами, на которых прикладывают через тестовую цепь первое тестовое напряжение между контрольным электродом и вторым рабочим электродом тестовой полоски, покрытым слоем реагента, на котором расположен медиатор, и прикладывают второе тестовое напряжение между контрольным электродом и первым рабочим электродом, покрытым слоем реагента, на котором находится медиатор; измеряют первый тестовый ток, второй тестовый ток, третий тестовый ток и четвертый тестовый ток на втором рабочем электроде после нанесения на тест-полоску пробы крови для превращения глюкозы в крови из одной формы фермента глюкозы в другую форму фермента глюкозы и генерации тока в результате повторного электрохимического окисления восстановленного медиатора; измеряют пятый тестовый ток на первом рабочем электроде; определяют с помощью микропроцессора концентрацию глюкозы на основании первого, второго, третьего, четвертого и пятого тестовых токов; и отображают концентрацию глюкозы.
В другом аспекте предлагается способ управления системой измерения аналита, включающей измерительный прибор и тест-полоску. Тест-полоска может содержать контрольный электрод, первый рабочий электрод и второй рабочий электрод, причем первые электроды покрыты слоем реагента. Измерительный прибор может содержать электрическую цепь для приложения тестового напряжения между контрольным электродом и первым рабочим электродом и для приложения второго тестового напряжения между контрольным электродом и вторым рабочим электродом. Измерительный прибор также может содержать процессор обработки сигналов для измерения множества тестовых токов и вычисления концентрации глюкозы на основании тестовых токов. Способ может быть реализован этапами, на которых прикладывают первое тестовое напряжение между контрольным электродом и вторым рабочим электродом, покрытым слоем реагента, и прикладывают второе тестовое напряжение между контрольным электродом и первым рабочим электродом, покрытым слоем реагента; измеряют первый тестовый ток, второй тестовый ток, третий тестовый ток и четвертый тестовый ток на втором рабочем электроде после нанесения на тест-полоску пробы крови, содержащей глюкозу, для превращения глюкозы в крови из одной формы фермента глюкозы в другую форму фермента глюкозы и генерации тока в результате повторного электрохимического окисления восстановленного медиатора; измеряют пятый тестовый ток на первом рабочем электроде; определяют концентрацию глюкозы на основании первого, второго, третьего, четвертого и пятого тестовых токов из уравнения следующей формы:
где:
G - концентрация глюкозы;
1
I - первый тестовый ток;
2
I - второй тестовый ток;
3
I - третий тестовый ток;
4
I - четвертый тестовый ток;
5
I - пятый тестовый ток;
а, b, с, d, е, f, g, h, k, p, q и s - константы, полученные эмпирическим путем; интерсепт - значение интерсепта, определенное по линейной регрессии графика зависимости
от контрольной концентрации глюкозы; и
наклон - значение наклона, определенное по линейной регрессии графика зависимости
от контрольной концентрации глюкозы.
При этом контрольный электрод, первый электрод и второй электрод могут быть расположены в одной плоскости.
В еще одном варианте осуществления предлагается способ управления системой измерения аналита, включающей измерительный прибор и тест-полоску. Тест-полоска может содержать контрольный электрод, первый рабочий электрод и второй рабочий электрод, причем первые электроды покрыты слоем реагента. Измерительный прибор может содержать электрическую цепь для приложения тестового напряжения между контрольным электродом и первым рабочим электродом и для приложения второго тестового напряжения между контрольным электродом и вторым рабочим электродом. Измерительный прибор также может содержать процессор обработки сигналов для измерения множества тестовых токов и вычисления концентрации глюкозы на основании тестовых токов.
Способ может быть реализован этапами, на которых: прикладывают первое тестовое напряжение между контрольным электродом и вторым рабочим электродом, покрытым слоем реагента, и прикладывают второе тестовое напряжение между контрольным электродом и первым рабочим электродом, покрытым слоем реагента; измеряют первый тестовый ток, второй тестовый ток, третий тестовый ток и четвертый тестовый ток на втором рабочем электроде после нанесения на тест-полоску пробы крови, содержащей глюкозу, для превращения глюкозы в крови из одной формы фермента глюкозы в другую форму фермента глюкозы и генерации тока в результате повторного электрохимического окисления восстановленного медиатора; измеряют пятый тестовый ток на первом рабочем электроде; и определяют тестовый ток с поправкой на гематокрит путем определения отношения третьего скорректированного тока к произведению первого скорректированного тока и второго скорректированного тока.
При этом первый скорректированный ток имеет значение, определенное из уравнения вида:
где:
ic1 - первый скорректированный ток;
1
I - первый тестовый ток;
2
I - второй тестовый ток; и
с, d, е, f и g - константы, полученные эмпирическим путем,
второй скорректированный ток имеет значение, определенное из уравнения вида:
где:
ic2 - второй скорректированный ток;
3
I - третий тестовый ток;
4
I - четвертый тестовый ток; и
h, k, р, q и s - константы, полученные эмпирическим путем, и третий скорректированный ток имеет значение, определенное из уравнения вида:
5
ic3=a I+b,
где:
ic3 - третий скорректированный ток;
5
I - пятый тестовый ток; и
а и b - константы, полученные эмпирическим путем.
В еще одном варианте осуществления предлагается система измерения аналита для измерения концентрации глюкозы в физиологической текучей среде пользователя. Система содержит тест-полоску и измерительный прибор для определения аналита. Тест-полоска содержит подложку, имеющую контрольный электрод, первый рабочий электрод и второй рабочий электрод, покрытые слоем реагента, на котором расположен медиатор. Электроды соединены с соответствующими контактными площадками. Измерительный прибор для определения аналита содержит микропроцессор и тестовую цепь, подключенную к порту для тест-полоски, который принимает контактные площадки тест-полоски, и измерительный прибор выполнен с возможностью прикладывать тестовое напряжение после нанесения физиологической текучей среды на электроды, чтобы вызвать электрохимическое преобразование физиологической текучей среды в непосредственной близости от электродов и определить концентрацию глюкозы в физиологической текучей среде с поправкой на гематокрит на основе первого, второго, третьего, четвертого и пятого тестовых токов, измеренных на первом, втором, третьем, четвертом и пятом дискретных интервалах после приложения измерительным прибором тестового напряжения.
В еще одном варианте осуществления предлагается система измерения аналита для измерения концентрации глюкозы в физиологической текучей среде пользователя. Система содержит тест-полоску и измерительный прибор для определения аналита. Тест-полоска содержит подложку, имеющую контрольный электрод, первый рабочий электрод и второй рабочий электрод, покрытые слоем реагента, на котором расположен медиатор. Электроды соединены с соответствующими контактными площадками. Измерительный прибор для определения аналита содержит микропроцессор и тестовую цепь, соединенную с портом для тест-полоски, который принимает контактные площадки тест-полоски, и измерительный прибор выполнен с возможностью прикладывать тестовое напряжение после нанесения физиологической текучей среды на электроды и определять концентрацию глюкозы с поправкой на гематокрит на основе измеренных первого, второго, третьего, четвертого и пятого тестовых токов так, чтобы по меньшей мере 98% множественных проб соответствовали критериям погрешности приблизительно ±15% по стандарту ISO (Международной организации по стандартизации), по меньшей мере 95% множественных проб соответствовали критериям погрешности приблизительно ±12% по стандарту ISO и по меньшей мере 88% проб соответствовали критериям погрешности приблизительно ±10% по стандарту ISO.
Эти и другие варианты осуществления, отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидны для специалистов в данной области после изучения приведенного ниже более подробного описания примеров осуществления настоящего изобретения в сочетании с сопутствующими фигурами, которым предшествует краткое описание.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Сопутствующие фигуры, включенные в настоящий документ и составляющие его неотъемлемую часть, иллюстрируют считающиеся в настоящий момент предпочтительными варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с приведенным выше общим описанием и приведенным ниже подробным описанием призваны разъяснить особенности настоящего изобретения (аналогичные номера представляют аналогичные элементы).
На фигуре 1А представлен вид сверху примера осуществления системы для измерения концентрации аналита.
На фигуре 1В представлен пример печатной платы электрических компонентов, встроенных в устройство для измерения концентрации аналита, показанное на фигуре 1А.
На фигуре 2 представлен вид в перспективе с пространственным разделением компонентов примера осуществления тест-полоски.
На фигуре 3 представлен вид сверху примера осуществления тест-полоски, представленной на фигуре 2.
На фигуре 4 представлен пример осуществления схемы функциональных компонентов измерительного прибора, показанного на фигуре 1А, образующего электрическое соединение с тест-полоской, показанной на фигурах 2 и 3.
На фигуре 5 представлен пример осуществления блок-схемы способа оценки концентрации глюкозы с поправкой на гематокрит при помощи системы, показанной на фигуре 1А.
На фигуре 6А представлен пример осуществления графика, показывающего тестовые напряжения, прикладываемые измерительным прибором к тест-полоске.
На фигуре 6В представлен пример осуществления графика, показывающего тестовые токи, возникающие при приложении тестовых напряжений, показанных на фигуре 6А, к тест-полоске.
На фигуре 7 представлен график погрешностей тестовых данных, полученных по алгоритму конечного тока.
На фигуре 8 представлен график погрешностей тестовых данных, полученных при помощи варианта осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Приведенное ниже подробное описание следует толковать с учетом фигур, где одинаковые элементы на разных фигурах представлены под идентичными номерами. Фигуры, не обязательно в масштабе, показывают выбранные варианты осуществления и ни в коей мере не призваны ограничить сферу действия настоящего изобретения. Подробное описание иллюстрирует принципы настоящего изобретения с помощью примеров, но не ограничивая объем настоящего изобретения. Настоящее описание позволяет любому специалисту в данной области осуществлять и использовать настоящее изобретение, а также описывает несколько вариантов осуществления, видоизменений, модификаций, альтернатив и назначений изобретения и содержит способ осуществления изобретения, который считается наилучшим в настоящее время.
На фигуре 1А представлена система 100 для измерения концентрации аналита, где система 100 может содержать измерительный прибор 102 и тест-полоску 200. Измерительный прибор 102 может содержать дисплей 104, корпус 106, множество кнопок интерфейса пользователя 108 и порт для полоски 110. Измерительный прибор 102 может дополнительно содержать электронную схему в корпусе 106, как дополнительно описано для фигура 1В. Проксимальная часть тест-полоски 200 может быть вставлена в порт для полоски 110. Дисплей 104 может отображать концентрацию аналита, например концентрацию глюкозы, и его можно использовать для отображения интерфейса пользователя с инструкциями по проведению теста. В контексте данного изобретения термин «отображать» и вариации основного термина подразумевают, что информация может быть представлена пользователю, лицу, осуществляющему уход за пользователем, либо медицинскому работнику в текстовой, аудиальной, визуальной форме или комбинацией всех способов представления информации. Множество кнопок интерфейса пользователя 108 дает пользователю возможность управлять измерительным прибором 102 путем навигации по программному обеспечению интерфейса пользователя. Дисплей 104 необязательно может содержать подсветку.
Как показано на фигуре 1В, внутри корпуса 106 содержится печатная плата 150 с микроконтроллером 162, соединенным с памятью 154, тактовым генератором 156, операционным усилителем 158 и разъемом дисплея 160. Операционный усилитель 158 и микроконтроллер 162 функционально соединены с разъемом порта для полоски 152 с контактами 152а, 152b и 152с для обеспечения механического контакта с соответствующими токопроводящими дорожками на тест-полоске 200. Для обеспечения обмена данными с другими устройствами управления данными предусмотрен беспроводной модуль приемопередатчика 164, позволяющий осуществлять двунаправленную передачу данных, сохраненных в памяти 154 прибора 100. На другой стороне печатной платы 150 установлен источник энергии в виде аккумуляторной батареи (не показан). Кроме того, может быть установлен порт передачи данных. Следует отметить, что измерительный прибор 100 предпочтительно имеет удобные размеры и выполнен с возможностью удержания в руке, а приемопередатчик 164 можно применять с беспроводной сетью малой дальности (Bluetooth, Wi-Fi и т.п.) и/или с беспроводной сетью большей дальности (GSM, CDMA, 3G и т.п.).
Микроконтроллер 162 может быть электрически подключен к порту для полоски 152, схеме операционного усилителя 158, первому беспроводному модулю 164, дисплею 104, ПЗУ 154, тактовому генератору 156, порту передачи данных и кнопкам интерфейса пользователя 108. Данные, вводимые с помощью кнопок, приемопередатчика или цепи для измерения глюкозы, могут содержать значения, представляющие концентрацию аналита, либо контекстные значения концентрации аналита совместно с информацией, относящейся к повседневному образу жизни пользователя. Информация, относящаяся к повседневному образу жизни, может содержать сведения о приеме пищи и использовании медицинских препаратов, проведении медицинских осмотров, а также общие сведения о состоянии здоровья и уровне физической подготовки человека, соединенные (отмеченные) со значением концентрации аналита для пользователя в определенное время дня или недели.
Схема операционного усилителя 158 может состоять из двух или более операционных усилителей, выполненных с возможностью частичного обеспечения потенциостатической функции и функции измерения тока. Потенциостатическая функция может относиться к приложению тестового напряжения между по меньшей мере двумя электродами тест-полоски. Функция тока может относиться к измерению тестового тока, полученного в результате приложения к тест-полоске 200 тестового напряжения. Измерение тока может осуществляться с помощью преобразователя ток-напряжение. Микроконтроллер 162 может иметь вид микропроцессора смешанных сигналов (MSP), например MSP430F2419 компании Texas Instruments. Микропроцессор TI-MSP430F2419 может быть выполнен с возможностью частичного обеспечения потенциостатической функции и функции измерения тока. Кроме этого, микропроцессор MSP430F2419 может также содержать энергозависимую память и ПЗУ. В другом варианте осуществления вместе с микроконтроллером может быть интегрировано большое количество электронных компонентов в виде специализированной интегральной схемы (ASIC).
Порт для полоски 152 может быть выполнен с возможностью осуществления электрического соединения с тест-полоской 200. Разъем дисплея 160 может быть выполнен с возможностью присоединения к дисплею 104. Дисплей 104 может иметь вид жидкокристаллического дисплея для отображения показаний уровня глюкозы и для обеспечения ввода сведений, относящихся к образу жизни, а также для управления графическими данными, наглядными результатами и видеоматериалами. Дисплей 104 также может содержать подсветку. Порт передачи данных может принимать соответствующий разъем, присоединенный к соединительному кабелю, что позволяет подключать измерительный прибор 100 к внешнему устройству, такому как персональный компьютер. Портом передачи данных может быть любой порт, обеспечивающий передачу данных, например последовательный, USB или параллельный порт. Тактовый генератор 156 может быть выполнен с возможностью измерения времени и может представлять собой генерирующий кристалл.
На фигурах 2 и 3 показан вид в перспективе с пространственным разделением компонентов и вид сверху в сборе соответственно примера тест-полоски 200, которая может содержать семь слоев, нанесенных на подложку 205. Семь слоев, нанесенных на подложку 205, могут представлять собой проводящий слой 250, изолирующий слой 216, слой реагента 218, адгезивный слой 260, гидрофильный слой 270 и верхний слой 280. Тест-полоску 200 можно изготавливать в несколько этапов с последовательным нанесением на подложку 205 проводящего слоя 250, изолирующего слоя 216, слоя реагента 218 и адгезивного слоя 260 при помощи, например, способа трафаретной печати. Гидрофильный слой 270 и верхний слой 280 могут быть нанесены из рулона и ламинированы на подложке 205 с образованием единой слоистой пластины или отдельных слоев. Тест-полоска 200 имеет дистальную часть 203 и проксимальную часть 204, как показано на фигуре 2.
Тест-полоска 200 может содержать камеру для приема пробы 292, через которую можно вводить пробу крови. Камера для приема пробы 292 может содержать входное отверстие на проксимальном конце тест-полоски 200. Выходное (вентиляционное) отверстие содержится в гидрофильном слое 270, как будет описано ниже. Проба крови может быть введена через входное отверстие для заполнения камеры, для приема пробы 292, для измерения концентрации аналита. Боковые кромки вырезаемой части адгезивного слоя 260, примыкающие к слою реагента 218, образуют стенку камеры для приема пробы 292, как показано на фигуре 2. Нижняя часть (или «пол») камеры для приема пробы 292 может содержать часть подложки 205, проводящего слоя 250 и изолирующего слоя 216. Верхняя часть (или «крыша») камеры для приема пробы 292 может содержать дистальную гидрофильную часть 282.
В тест-полоске 200, как показано на фигуре 2, подложка 205 может быть использована в качестве основы для удержания последующих нанесенных слоев. Подложка 205 может представлять собой полиэфирный лист, например из полиэтилентерефталата (ПЭТ). Подложка 205 может представлять собой рулон номинальной толщиной 350 микрон, шириной 370 мм и длиной приблизительно 60 м.
Проводящий слой 250 необходим для формирования электродов, которые можно применять для электрохимического измерения уровня глюкозы. Проводящий слой 250 может быть изготовлен из графитовой краски, нанесенной на подложку 205 способом трафаретной печати. В процессе трафаретной печати графитовую краску наносят на трафарет, а затем переносят ее через трафарет при помощи валика. После печати графитовая краска может быть высушена с использованием горячего воздуха при температуре приблизительно 140°С. Графитовая краска может содержать смолу VAGH, газовую сажу, графит и один или более растворителей для смешивания смолы, сажи и графита. Более конкретно, графитовая краска может содержать смешанные в соответствующей пропорции газовую сажу: смолу VAGH.
Для тест-полоски 200 проводящий слой 250 может содержать контрольный электрод 210, первый рабочий электрод 212, второй рабочий электрод 214, контрольную контактную площадку 211, первую контактную площадку 213, вторую контактную площадку 215, дорожку контрольного электрода 207, дорожку первого рабочего электрода 208 и дорожку второго рабочего электрода 209. В варианте осуществления, представленном на фигуре 2, контрольный электрод 210 размещен между первым рабочим электродом 212 и вторым рабочим электродом 214 таким образом, что перекрестные помехи между первым и вторым рабочими электродами 212 и 214 сведены к минимуму.
Проводящий слой 250 может быть образован из графитовой краски. Контрольная контактная площадка 211, первая контактная площадка 213 и вторая контактная площадка 215 могут быть выполнены с возможностью электрического соединения с испытательным измерительным прибором. Дорожка контрольного электрода 207 образует электрически непрерывный путь от контрольного электрода 210 до контрольной контактной площадки 211. Аналогично дорожка первого рабочего электрода 208 образует электрически непрерывный путь от первого рабочего электрода 212 до первой контактной площадки 213. Аналогично дорожка второго рабочего электрода 209 образует электрически непрерывный путь от второго рабочего электрода 214 до второй контактной площадки 215.
Изолирующий слой 216 может содержать отверстие 217, открывающее часть контрольного электрода 210, первого рабочего электрода 212 и второго рабочего электрода 214, которые могут смачиваться пробой жидкости. Площадь первого рабочего электрода 212, второго рабочего электрода 214 и контрольного электрода 210 может быть определена как площадь, открытая для воздействия пробы жидкости. Наряду с определением площади электрода, изолирующий слой 216 препятствует соприкосновению пробы жидкости с дорожками электродов 207, 208 и 209. Считается, что функциональная площадь рабочего электрода должна быть определена точно, поскольку амплитуда тестового тока прямо пропорциональна эффективной площади электрода. Например, изолирующий слой 216 может состоять из краски Ercon Е6110-116 Jet Black Insulayer™, предлагаемой к продаже компанией Ercon, Inc. На данном этапе тест-полоска может пройти плазменную обработку. Плазма создается переменным током высокого напряжения при атмосферной температуре и атмосферном давлении. Полученная плазма, состоящая из ионизированных высокоэнергетических частиц, уносится потоком воздуха и воздействует на подложку. Обработка плазмой применяется для изменения поверхности электродов на углеродной основе, изготовленных методом трафаретной печати. Считается, что данное изменение поверхности увеличивает электрохимическую активность углеродной поверхности и поверхностную энергию нанесенных слоев, что способствует лучшей адгезии между ними и слоями, нанесенными в дальнейшем. Кроме того, считается, что обработка плазмой улучшает электрохимические свойства углеродной поверхности, совершенствуя реакцию с медиатором, которая является частью электрохимической реакции в измерительном цикле.
Слой реагента 218 нанесен на часть проводящего слоя 250 и изолирующего слоя 216, как показано на фигуре 2. В одном варианте осуществления два перекрывающихся слоя реагента могут быть нанесены на часть проводящего слоя 250 и изолирующего слоя 216.
Слой реагента 218 может содержать химические вещества, такие как фермент и медиатор, который избирательно реагирует с исследуемым аналитом, а также буфер для поддержания необходимого уровня рН. Например, если в пробе крови необходимо определить содержание глюкозы, слой реагента 218 может содержать фермент и медиатор, а также другие компоненты, функционально необходимые для работы системы. Слой ферментативного реагента 18 может содержать, например, глюкозооксидазу, тринатрийцитрат, лимонную кислоту, поливиниловый спирт, гидроксильную этилцеллюлозу, гексацианожелезокислый калий, противовспениватель, кабосил, сополимер винилпирролидона и винилацетата (PVPVA) и воду.
Примеры ферментов, подходящих для использования в слое реагента, содержат глюкозооксидазу, дегидрогеназу глюкозы с пирролохинолинхиноном (PQQ) в качестве кофактора и дегидрогеназу глюкозы с флавинадениндинуклеотидом (FAD) в качестве кофактора. Пример медиатора, подходящего для использования в слое реагента, содержит феррицианид, который в данном случае представлен в окисленной форме. Слой реагента может быть выполнен с возможностью физического преобразования глюкозы в продукт ферментативной реакции и генерации в ходе этого процесса определенного количества восстановленного медиатора (например, ферроцианида) пропорционально значению концентрации глюкозы. Дальнейшее описание слоев реагента и тест-полосок для исследования на электрохимической основе в целом приведено в патенте США №6241862, полностью включенном в настоящую заявку путем ссылки.
В одном варианте осуществления площадь слоя реагента 218 достаточно велика, чтобы покрыть всю площадь контрольного электрода 210, первого рабочего электрода 212 и второго рабочего электрода 214. Слой реагента 218 содержит ширину и длину, достаточную для покрытия по меньшей мере площади самого большого электрода, который может применяться в тест-полоске 200. Ширина слоя реагента 218 может составлять приблизительно 2 мм, что более чем в два раза превышает ширину прямоугольного отверстия 217.
Адгезивный слой 260 содержит первую адгезивную площадку 262, вторую адгезивную площадку 264 и третью адгезивную площадку 266 и может быть нанесен на тест-полоску 200 после нанесения слоя реагента 218. Части адгезивного слоя 260 могут быть центрированы таким образом, чтобы примыкать, касаться или частично перекрывать слой реагента 218. Адгезивный слой 260 может содержать доступный в продаже адгезивный акриловый сополимер на водной основе, чувствительный к давлению. Адгезивный слой 260 нанесен на часть изолирующего слоя 216, проводящего слоя 250 и подложки 205. Адгезивный слой 260 соединяет гидрофильный слой 270 с тест-полоской 200.
Гидрофильный слой 270 может содержать дистальную гидрофильную часть 272 и проксимальную гидрофильную часть 274, как показано на фигуре 2. Между дистальной гидрофильной частью 272 и проксимальной гидрофильной частью 274 содержится зазор 276. Зазор 276 служит в качестве бокового вентиляционного отверстия для воздуха при заполнении кровью камеры для приема пробы 292 (показана на фигуре 3). Гидрофильный слой 270 может быть представлен полиэфирным материалом с одной гидрофильной поверхностью, таким как антивуалентное покрытие, доступное для приобретения в компании 3М.
Последним слоем, который необходимо добавить к тест-полоске 200, является верхний слой 280, как показано на фигурах 2 и 3. Верхний слой 280 может содержать прозрачную часть 282 и непрозрачную часть 284. Верхний слой 280 нанесен и приклеен на гидрофильный слой 270. Верхний слой 280 может состоять из полиэфира с нанесенным на одну сторону адгезивным покрытием. Для фигуры 3 необходимо отметить, что прозрачная часть 282 может по существу перекрывать дистальную гидрофильную часть 272, благодаря чему пользователь может наглядно убедиться в надлежащем заполнении камеры для приема пробы 292. Непрозрачная часть 238 позволяет пользователю увидеть контраст между окрашенной текучей средой, например кровью, внутри камеры для приема пробы 292 и непрозрачной частью 284.
Измерение содержания глюкозы при помощи примера полоски может основываться на избирательном окислении глюкозы ферментом глюкозооксидаза (GO). Реакции, которые могут происходить в тест-полоске для определения уровня глюкозы, сведены ниже в уравнениях 1 и 2.
(ох)
(red)
Ур. 1 - Глюкоза + GO → глюконовая кислота + GO
(red)
6
(ox)
6
3-
4-
Ур. 2 - GO+2 Fe(CN)  → GO+2 Fe(CN)
(ox)
(ox)
(ox)
(red)
(ox)
(ox)
6
(red)
(ox)
6
6
3-
3-
4-
Как показано в уравнении 1, глюкоза окисляется до глюконовой кислоты окисленной формой глюкозооксидазы (GO). Следует отметить, что GO также можно обозначить как «окисленный фермент». В процессе реакции, показанной в уравнении 1, окисленный фермент GO переходит в восстановленное состояние, которое обозначено как GO (т.е. «восстановленный фермент»). Далее восстановленный фермент GO снова окисляется или превращается обратно в GO в результате реакции с Fe(CN)  (который обозначается как «окисленный медиатор» или как «феррицианид»), что иллюстрирует уравнение 2. В ходе обратного преобразования GO в окисленное состояние GO Fe(CN)  восстанавливается или превращается в Fe(CN)  (который обозначается как «восстановленный медиатор», или как «ферроцианид»).
Когда вышеописанные реакции протекают в условиях тестового напряжения, приложенного между двумя электродами, тестовый ток может создаваться путем повторного электрохимического окисления восстановленного медиатора на поверхности электрода. Следовательно, поскольку в идеальных условиях количество ферроцианида, образовавшееся в результате вышеописанной химической реакции, прямо пропорционально количеству глюкозы в пробе, расположенной между электродами, возникающий тестовый ток будет пропорционален содержанию глюкозы в пробе. Медиатор, такой как феррицианид, представляет собой соединение, которое принимает электроны от фермента, такого как глюкозооксидаза, а затем отдает эти электроны электроду. При увеличении концентрации глюкозы в пробе количество образованного восстановленного медиатора также увеличивается; следовательно, существует прямая связь между тестовым током, полученным в результате повторного окисления восстановленного медиатора, и концентрацией глюкозы. В частности, передача электронов по электрическому интерфейсу генерирует тестовый ток (2 моля электронов на каждый моль окисленной глюкозы). Тестовый ток, полученный в результате введения глюкозы, можно, таким образом, называть током глюкозы.
2
2
2
1
1
1
2
1
На фигуре 4 показана упрощенная схема измерительного прибора 102, соединенного с тест-полоской 200. Измерительный прибор 102 может содержать проводник контрольного электрода 180, проводник первого электрода 182 и проводник второго электрода 184, которые соответственно образуют электрическое соединение с контактом контрольного электрода 211, контактом первого электрода 213 и контактом второго электрода 215. Три указанных проводника составляют часть порта для полоски 110. При проведении испытания первый источник тестового напряжения 186 (из цепи на фигуре 1В) может приложить тестовое напряжение VWE между вторым рабочим электродом 214 и контрольным электродом 210. В результате приложения тестового напряжения VWE измерительный прибор 102 (посредством микропроцессора) может измерить тестовый ток IWE на втором рабочем электроде. Аналогично второй источник тестового напряжения 188 (из цепи на фигуре 1В) прикладывает тестовое напряжение VWE между первым рабочим электродом 212 и контрольным электродом 210. В результате приложения тестового напряжения VWE измерительный прибор 102 может измерить тестовый ток IWE. В варианте осуществления тестовое напряжение VWE и второе тестовое напряжение VWE могут быть приблизительно равными.
Далее описан показанный на фигуре 5 способ 300 определения концентрации аналита (например, глюкозы) с поправкой на гематокрит с использованием вышеуказанных вариантов осуществления измерительного прибора 102 и тест-полоски 200.
(red)
(ox)
В примере этапа 310 обеспечивают наличие измерительного прибора 102 и тест-полоски 200. Измерительный прибор 102 может содержать электронную схему, которую можно использовать для приложения первого и второго тестового напряжения к тест-полоске и для измерения тока, проходящего соответственно через второй рабочий электрод 214 и первый рабочий электрод 212, в процессе превращения GO обратно в окисленное состояние GO в результате происходящего на тест-полоске электрохимического процесса, показанного в уравнениях 1 и 2. Измерительный прибор 102 может также содержать процессор обработки сигналов 162 с набором инструкций по способу определения концентрации аналита в пробе текучей среды, как изложено в настоящем документе.
0
T
T
На фигуре 6А представлен пример графика тестового напряжения, приложенного к тест-полоске 200. Перед тем как нанести пробу биологической текучей среды на тест-полоску 200, испытательный измерительный прибор 102 переводится в режим определения текучей среды, в котором первое тестовое напряжение приблизительно 400 мВ приложено между вторым рабочим электродом 214 и контрольным электродом 210. Предпочтительно подать второе тестовое напряжение приблизительно 400 мВ одновременно между первым рабочим электродом 212 и контрольным электродом 210. В альтернативном варианте осуществления второе тестовое напряжение может быть подано одновременно, так чтобы интервал времени приложения первого тестового напряжения пересекался с интервалом времени приложения второго тестового напряжения. Испытательный измерительный прибор может находиться в режиме определения текучей среды в течение интервала времени определения текучей среды tFD до определения физиологической текучей среды в момент времени t0. В режиме определения текучей среды испытательный измерительный прибор 102 в примере этапа 320 определяет нанесение текучей среды на тест-полоску 200, в результате чего текучая среда смачивает второй рабочий электрод 214 и контрольный электрод 210. После определения с помощью испытательного измерительного прибора 102 нанесения физиологической текучей среды, например, по значительному увеличению тестового тока, измеренного на втором рабочем электроде 214, измерительный прибор 102 устанавливает второй нулевой маркер в момент времени t и запускает отсчет интервала времени тестирования t. После завершения интервала времени тестирования t тестовое напряжение отключается. Для удобства на фигуре 6А показано только первое тестовое напряжение, приложенное к тест-полоске 200.
i
1
2
3
4
2
3
4
5
5
i
i
На фигуре 6В показан пример графика переходных токовых процессов (т.е. зависимости измеренного отклика электрического тока в микроамперах от времени), которые измеряются при приложении к тест-полоске 200 тестовых напряжений, показанных на фигуре 6А. Тестовые токи I, полученные из переходных токовых процессов, по существу указывают на концентрацию аналита в пробе, как будет описано в примере осуществления этапа 370 ниже. На фигурах 5 и 6А, в примере осуществления этапа 330, первое тестовое напряжение приложено между вторым рабочим электродом 214 и контрольным электродом 210, и второе тестовое напряжение приложено между первым рабочим электродом 212 и контрольным электродом 210 в момент времени t0. В примере осуществления этапа 340 первый тестовый ток I, второй тестовый ток I, третий тестовый ток I и четвертый тестовый ток I измеряются в моменты времени t, t, t и I соответственно на втором рабочем электроде 214. Эти токи Ii, где i=1, 2, 3, 4 … n сохраняются или регистрируются в устройстве памяти измерительного прибора для анализа. В примере осуществления этапа 340 пятый тестовый ток I также измеряется в момент времени t6 на первом рабочем электроде 212. Первое и второе тестовые напряжения, прикладываемые к тест-полоске 200, по существу имеют величину от приблизительно +100 мВ до приблизительно +600 мВ. В одном варианте осуществления, когда электроды содержат графитовую краску и медиатор представляет собой феррицианид, тестовое напряжение составляет приблизительно +400 мВ. Для других комбинаций медиатора и материала электрода могут потребоваться другие тестовые напряжения. Продолжительность подачи тестового напряжения обычно составляет приблизительно 5 секунд. Как правило, время t отсчитывают относительно времени t0. На практике каждый тестовый ток Ii представляет собой среднее значение для серии измерений, полученных за короткий промежуток времени, например для пяти измерений с интервалами 0,01 секунды, начиная с t+1, где i принимает значения от 1 до по меньшей мере 6.
(red)
(ox)
Как показано на фигуре 5, в примере осуществления этапа 350 концентрацию глюкозы с поправкой на гематокрит можно определить из следующего уравнения, в котором используется переходный токовый процесс, измеренный при обратном превращении GO в окисленное состояние GO:
- Ур. 3
где:
G - концентрация глюкозы с поправкой на гематокрит;
1
I - первый тестовый ток;
2
I - второй тестовый ток;
3
I - третий тестовый ток;
4
I - четвертый тестовый ток;
5
I - пятый тестовый ток;
а, b, с, d, е, f g, h, k, р, q и s - константы, полученные эмпирическим путем;
интерсепт - значение интерсепта, определенное из линейной регрессии графика зависимости
от контрольной концентрации глюкозы.
В предпочтительном варианте осуществления интерсепт может быть по существу равен приблизительно -2,86; и
наклон - значение наклона, определенное по линейной регрессии графика зависимости
от контрольной концентрации глюкозы.
В предпочтительном варианте осуществления наклон может быть по существу равен приблизительно -0,000545.
1
0
2
0
3
0
0
0
В предпочтительном варианте осуществления первый тестовый ток I может быть измерен в период от приблизительно 1,98 секунды, в частности, от приблизительно 2,18 секунды до приблизительно 2,26 секунды от момента t, второй тестовый ток I может быть измерен в период от приблизительно 2,90 секунды до приблизительно 2,98 секунды от момента t, третий тестовый ток I может быть измерен в период от приблизительно 3,01 секунды до приблизительно 3,09 секунды от момента t, четвертый тестовый ток может быть измерен в период от приблизительно 0,95 секунды до приблизительно 1,03 секунды от момента t и пятый тестовый ток может быть измерен в период от приблизительно 4,74 секунды до приблизительно 4,82 секунды от момента t.
В предпочтительном варианте осуществления а равно от приблизительно 0,0158 до приблизительно 0,0162, b равно от приблизительно 3,55 до приблизительно 3,59, с равно от приблизительно 24,2 до приблизительно 24,6, d равно от приблизительно 71,1 до приблизительно 71,5, е равно от приблизительно 6,89 до приблизительно 6,93, f равно от приблизительно 0,27 до приблизительно 0,31, g равно от приблизительно 81,8 до приблизительно 82,2, h равно от приблизительно 102 до приблизительно 104, k равно от приблизительно -453 до приблизительно -455, р равно от приблизительно -0,0686 до приблизительно -0,0690 и q равно от приблизительно 30,2 до приблизительно 30,6.
В примере осуществления этапа 360 концентрация глюкозы с поправкой на гематокрит может быть затем отображена на измерительном приборе 102.
ПРИМЕР 1.
Определение концентрации глюкозы с поправкой на гематокрит
Группу тест-полосок испытывали на 10776 пробах цельной крови с тремя разными уровнями концентрации глюкозы (50 мг/дл, 150 мг/дл и 450 мг/дл) и уровнями гематокрита от 29 до 56%. Тестовые токи измеряли на втором рабочем электроде в моменты времени 0,99, 2,22, 2,94 и 3,05 секунды, а на первом рабочем электроде - в момент времени 4,78 секунды. Концентрацию глюкозы с поправкой на гематокрит определяли для каждого значения, как было описано ранее для способа 300 (т.е. без периода реакции, предшествующего приложению тестовых напряжений).
Также определили концентрацию глюкозы без поправки на гематокрит на основе анализа того же набора проб цельной крови (т.е. 10776 проб цельной крови) с тремя различными уровнями концентрации глюкозы (50 мг/дл, 150 мг/дл и 450 мг/дл) и уровнями гематокрита от 29 до 56%. Использовали ту же группу тест-полосок. Тестовый ток в момент времени 5 секунд (далее называемый «конечным током») измеряли и регистрировали для каждой пробы. Затем концентрацию глюкозы без поправки на гематокрит определяли по таблице калибровочных кривых, сохраненной в памяти измерительного прибора. Калибровочная кривая может быть получена по данным конечного тока путем построения графика зависимости конечного тока от известной концентрации глюкозы, измеренной на контрольном приборе.
Погрешность, являющуюся оценкой относительной ошибки при измерении глюкозы, далее рассчитывали для каждого уровня концентрации глюкозы, определенного тремя способами, описанными в примерах 1 и 2 (т.е. по конечному току, способом 300 и способом 400). Погрешность для каждой концентрации глюкозы определяли из уравнений вида:
абс
расчетное
контрольное
Ур. 4 - Погрешность.=G-G
контрольное
при G меньше чем 75 мг/дл глюкозы и целевой погрешности приблизительно 15 мг/дл или приблизительно 20%, и
<mrow><mi>П</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>ш</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><msub><mi>ь</mi><mi>%</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>ч</mi><mi>е</mi><mi>т</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>е</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>G</mi><mrow><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>е</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>е</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Ур. 5 -
контрольное
для G больше или равного 75 мг/дл глюкозы и целевой
погрешности приблизительно 15 мг/дл или приблизительно 20%;
абс.
где погрешность - абсолютная погрешность,
%
погрешность - процентная погрешность,
расчетное
G - концентрация глюкозы, определенная одним из трех способов, описанных в примерах 1 и 2, и
контрольное
_
G контрольная концентрация глюкозы.
контрольное
контрольное
контрольное
Следует обратить внимание, что пределы значения G, при которых применимы уравнения 4 и 5, могут варьировать в зависимости от целевой погрешности. Например, если целевая погрешность составляет 12 мг/дл или 15%, то уравнение 4 применяется при G менее чем 80 мг/дл, а уравнение 5 применяется при G больше или равном 80 мг/дл.
На фигурах 7 и 8 показаны графики погрешностей данных относительно процентного уровня гематокрита. На фигуре 7 показан график погрешностей данных, в которых для определения концентрации глюкозы применяли конечный ток. Измерение конечного тока применяли для экспериментальной группы полосок, которые считали подвергшимися влиянию помех гематокрита. Считается, что это влияние вносит погрешность, являющуюся дополнительным источником ошибок показаний концентрации глюкозы. Эта погрешность, вероятно, равна нулю при номинальном гематокрите (42%). При снижении гематокрита вносится погрешность, составляющая приблизительно 1 мг/дл на каждый процент снижения уровня гематокрита от номинального и -1 мг/дл на каждый процент повышения уровня гематокрита от номинального. Считается, что в данной группе полосок ошибка на краях диапазона (при 30% и 55%) достаточно велика и влияет на точность полоски.
На фигуре 8 показан график погрешностей для данных, определенных способом 300. Считается, что предпочтительный вариант осуществления в достаточной мере сглаживает гематокритную реакцию примера полоски, как показано ниже в таблице 1. Предыдущий алгоритм был разработан в ходе попытки решить данную проблему, что также в основном снимало гематокритную погрешность. К сожалению, такой предыдущий подход характеризовался значительными неточностями и не мог служить в качестве решения проблемы с единым калибровочным кодом. С другой стороны, предпочтительный подход демонстрирует благоприятные результаты для примера полоски, в котором используется единый калибровочный код, и он не увеличивает стандартное отклонение ни в одной из категорий по гематокриту (НСТ), выделяемых прибором YSi.
Данные на фигурах 7 и 8 могут также быть представлены в процентах согласно различным критериям погрешности по стандарту ISO (Международной организации по стандартизации), как показано в таблице 1 ниже.
Данные, представленные в таблице 1, указывают на увеличение процентной доли показаний, соответствующих каждому критерию погрешности по ISO при использовании способа 300 для введения поправки на эффект гематокрита, в сравнении с контрольным способом.
Как было отмечено ранее, в большинстве случаев микропроцессор может быть запрограммирован для выполнения по существу этапов различных процессов, описанных в настоящем документе. Микропроцессор может являться частью отдельного устройства, такого как глюкометр, шприц-ручка для инсулина, инсулиновая помпа, сервер, мобильный телефон, персональный компьютер или мобильное портативное устройство. Более того, описанные в настоящем документе различные способы можно применять для создания программных кодов с помощью имеющихся в продаже средств разработки программного обеспечения, например Visual Studio 6.0, С или С++ (а также их вариантов), Windows 2000 Server и SQL Server 2000. Однако трансформация данных способов на другие языки программирования будет зависеть от требований и доступности новых языков программирования для кодирования этих способов. Кроме этого, различные описанные способы, однократно трансформированные в подходящие программные коды, могут быть записаны на любой носитель данных, пригодный для считывания компьютером, и в случае исполнения кодов подходящим микропроцессором или компьютером они позволят выполнить этапы, описанные в этих способах, совместно с любыми другими необходимыми этапами.
Хотя настоящее изобретение было описано для конкретных вариантов осуществления и иллюстрирующих их фигур, специалистам в данной области будет понятно, что настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления или описанными фигурами. Кроме этого, специалистам в данной области будет очевидно, что в тех случаях, когда описанные выше способы и этапы указывают на наступление определенных событий в определенном порядке, этот порядок для некоторых этапов может быть изменен, и что такие изменения соответствуют возможным вариантам осуществления настоящего изобретения. Кроме того, некоторые этапы при наличии возможности можно выполнять одновременно как параллельные процессы, а также последовательно в соответствии с приведенным выше описанием. Таким образом, в той степени, в какой возможны вариации настоящего изобретения, соответствующие сущности раскрываемого изобретения или эквивалентные по содержанию формуле изобретения, настоящий патент распространяется также на все подобные вариации.