СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВАННЫХ НА ПОРОГОВОЙ ВЕЛИЧИНЕ ФУНКЦИЙ КОРРЕКТИРОВКИ ДЛЯ БИОСЕНСОРОВ
METHOD AND DEVICE FOR REALISING THRESHOLD VALUE-BASED CORRECTION FUNCTIONS FOR BIOSENSORS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к биосенсорам, а более точно к способу и устройству для реализации основанных на пороговой величине функций корректировки для биосенсоров.
Описание предшествующего уровня техники
Количественное определение аналитов в содержащихся в организме жидкостях имеет большую важность в диагнозах и уходе при некоторых физиологических нарушениях. Например, у некоторых лиц должны контролироваться лактат, холестерин и билирубин. В частности, определение глюкозы в содержащихся в организме жидкостях имеет большую важность для лиц, страдающих диабетом, которые обязаны часто проверять уровень глюкозы в своей крови в качестве средства регулирования потребления глюкозы в своих диетах. Несмотря на то, что остальная часть раскрытия предмета изобретения в данном документе направлена на определение глюкозы, должно быть понятно, что процедура и устройство этого изобретения могут использоваться для определения других аналитов (анализируемых веществ) при выборе соответствующего фермента. Идеальное диагностическое устройство для определения глюкозы в жидкостях обязано быть простым, с тем чтобы не требовать технического навыка высокого уровня при участии лаборанта, осуществляющего тест. Во многих случаях эти тесты осуществляются пациентом, который придает дальнейший акцент необходимости теста, который легко осуществлять. Дополнительно, такое устройство должно быть основано на элементах, которые в достаточной мере стабильны, чтобы соответствовать ситуациям продолжительного хранения.
Способы для определения концентрации аналита в жидкостях могут основываться на электрохимической реакции между ферментом и аналитом, специфическим для фермента, и медиаторе, который поддерживает фермент в его первоначальном состоянии окисления. Пригодные окислительно-восстановительные ферменты включают оксидазу, дегидрогеназу, каталазу и пероксидазу. Например, в случае, где глюкоза является аналитом, реакция с глюкозооксидазой и кислородом представлена уравнением (А).
В колориметрическом исследовании освобожденный пероксид водорода в присутствии пероксидазы является причиной изменения цвета в окислительно-восстановительном индикаторе, изменение цвета которого пропорционально уровню глюкозы в тестируемой жидкости. В то время как колориметрические тесты могут быть выполнены полуколичественными посредством использования цветовых таблиц для сравнения изменения цвета окислительно-восстановительного индикатора с изменением цвета, получаемым с использованием тестовых жидкостей с известной концентрацией глюкозы, и могут быть интерпретированы более существенно количественными посредством считывания результата спектрофотометрическим инструментом, результаты обычно не являются такими же точными и не получаются так же быстро, как те, которые получаются с использованием электрохимического биосенсора. При использовании в данном документе термин «система биосенсора» относится к аналитическому устройству, которое избирательно реагирует на аналиты в подходящем образце и преобразует их концентрацию в электрический сигнал с помощью сочетания сигнала биологического распознавания и физико-химического преобразователя.
Поток электронов затем преобразуется в электрический сигнал, который прямо коррелирует с концентрацией глюкозы.
2
2
Первоначальный шаг реакции представлен уравнением (A), глюкоза, присутствующая в тестовом образце, преобразует окисленный флавинадениндинуклеотидный (FAD) центр фермента в его восстановленную форму, (FADH). Поскольку эти окислительно-восстановительные центры по существу электрически изолированы внутри молекулы фермента, прямой перенос электронов к поверхности традиционных электродов не происходит до любого измеримого уровня в отсутствии недопустимо высокого перенапряжения. Усовершенствование этой системы приводит к использованию нефизиологического окислительно-восстановительного сопряжения между электродом и ферментом для перемещения электронов туда и обратно между (FADH) и электродом. Это представлено следующей диаграммой, на которой окислительно-восстановительное сцепляющее вещество, обычно упоминаемое как медиатор, представлено посредством M:
2
red
На этой схеме GO(FAD) представляет окисленную форму глюкозооксидазы, а GO(FADH) показывает ее восстановленную форму. Выступающая в качестве посредника разновидность M перемещает электроны от восстановленного фермента к электроду, тем самым окисляя фермент и вызывая его регенерацию на своем месте, которая, конечно, является желательной по причинам экономии. Основной целью использования медиатора является понижение рабочего напряжения датчика. Идеальный медиатор должен повторно окисляться на электроде при низком напряжении, ниже которого примеси в слое химического продукта и мешающие вещества в образце не будут окисляться, таким образом уменьшая помехи.
Многие соединения пригодны в качестве медиаторов благодаря их способности принимать электроны от восстановленного фермента и переносить их к электроду. Среди медиаторов, известных как являющиеся полезными в качестве агентов переноса электронов в аналитических исследованиях, имеются замещенные бензо- и нафтохиноны, раскрытые в патенте США 4,746,607; N-оксиды, нитрозосоединения, гидроксиламины и оксины, конкретно раскрытые в EP 0354441; флавины, феназины, фенотиазины, индофенолы, замещенные 1,4-бензохиноны и индамины, раскрытые в EP 0330517, и феназиновые/феноксазиновые соли, описанные в патенте США 3,791,988. Всесторонний обзор электрохимических медиаторов биологических окислительно-восстановительных систем может быть найден в Analytica Clinica Acta, 140 (1982), стр.1-18.
Среди более почитаемых медиаторов имеется гексацианоферрат, также известный как феррицианид, который рассмотрен Schlapfer и другими в Clinica Chimica Acta., 57 (1974), стр.283-289. В патенте США 4,929,545 раскрывается использование растворимого соединения феррицианида в сочетании с растворимым соединением окиси железа в составе для ферментного определения аналита в образце. Замещение кислорода солью железа ферроцианида в уравнении (A) дает:
так как феррицианид восстановлен до ферроцианида посредством принятия им электронов от фермента глюкозооксидазы.
Другим способом изображения этой реакции является использование следующего уравнения (C):
Освобожденные электроны прямо эквивалентны количеству глюкозы в тестируемой жидкости и могут быть соотнесены с ним посредством измерения тока, который генерируется через жидкость при приложении к ней напряжения. Окисление ферроцианида на аноде обновляет цикл.
Патент США 6,391,645, выданный Huang и др., опубликованный 21 мая 2002 г. и переуступленный настоящему правопреемнику, раскрывает способ и устройство (аппарат) для корректировки в биосенсорах влияния температуры окружающей среды. Измеряется температура окружающей среды. Образец прикладывается к биосенсору, затем измеряется ток, генерируемый в тестируемом образце. Измеренное значение концентрации аналита рассчитывается исходя из тока посредством стандартной кривой отклика. Измеренная концентрация аналита затем корректируется с использованием измеренного значения температуры окружающей среды, чтобы тем самым увеличить точность определения аналита. Значение концентрации аналита может быть рассчитано посредством решения следующего уравнения:
2
2
2
2
2
2
2
2
G2=(G1-(T -24)*I2-(T-24)*I1)/((T -24)*S2+(T-24)*S1+1),
2
где G1 является упомянутым наблюдаемым значением концентрации аналита, T является упомянутой измеренной температурой окружающей среды, а I1, I2, S1 и S2 являются предопределенными параметрами.
Несмотря на то, что способ и устройство, раскрытые в патенте США 6,391,645, обеспечили улучшения в точности определения аналита, существует потребность в улучшенном механизме корректирования и таком, который может быть применен к любой системе, которая измеряет концентрацию аналита.
В качестве используемого в последующем подробном изложении и формуле изобретения термин «биосенсор» («биодатчик») обозначает электрохимическую сенсорную полосу или сенсорный элемент аналитического устройства или систему биосенсора, которая избирательно реагирует на аналит в подходящем образце и преобразует его концентрацию в электрический сигнал. Биосенсор генерирует электрический сигнал напрямую, способствуя простой конструкции прибора. Также биосенсор предлагает преимущество низкой стоимости материала, так как на электродах размещается тонкий слой химического продукта, и расходуется мало материала.
Термин «образец» определен как состав, содержащий неизвестное количество интересующего аналита. Типично, образец для электрохимического анализа имеется в жидкой форме, а предпочтительно образец является водной смесью. Образец может быть биологическим образцом, таким как кровь, моча или слюна. Образец может быть производным биологического образца, таким как экстракт, раствор, фильтрат или восстановленый осадок.
Термин «аналит» определен как вещество в образце, наличие или количество которого должно быть определено. Аналит взаимодействует с ферментом-оксиредуктазой, присутствующим во время анализа, и может быть субстратом для оксиредуктазы, коэнзимом или другим веществом, которое оказывает влияние на взаимодействие между оксиредуктазой и ее субстратом.
Сущность изобретения
Важные аспекты настоящего изобретения должны обеспечивать новую и улучшенную систему биосенсора для определения наличия или количества субстанции в образце, включая способ и устройство (аппарат) для осуществления основанных на пороговой величине функций корректировки для биосенсоров.
Вкратце, способ и устройтсво предоставлены для осуществления основанных на пороговой величине функций корректировки для биосенсора. Образец используется для (наносится на) биосенсора, и получают первичное измерение значения аналита. Получают вторичное измерение вторичного эффекта и сравнивают с пороговым значением. Определяется функция корректировки, зависимая от сравниваемых величин. Функция корректировки применяется к первичному измерению значения аналита для получения скорректированного значения аналита.
В соответствии с признаками изобретения, способ корректировки использует кривые корректировки, которые предусмотрены для введения поправки на влияния помех. Кривые корректировки могут быть линейными и нелинейными. Способ корректировки предоставляет различные функции корректировки ниже и выше порогового значения. Функции корректировки могут быть зависящими или не зависящими от первичного измерения, которое корректируется. Функции корректировки могут быть или линейными или нелинейными.
В соответствии с признаками изобретения, вторичное измерение вторичного эффекта включает множественность эффектов, которые используются раздельно или вместе в комбинации для идентификации функции корректировки. Например, вторичные эффекты включают температуру, гемоглобин и концентрацию гематокрита образца крови, которые идентифицируются (определяются) и используются для минимизации влияния вторичных эффектов на точность сообщенных результатов.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение вместе с вышеупомянутыми и другими объектами и преимуществами может быть понято лучше исходя из последующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, проиллюстрированного на чертежах, в которых:
Фиг.1 - структурная схема системы биосенсора в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2 - блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая примерные логические шаги, выполняемые в соответствии с настоящим изобретением, способа реализации, основанной на пороге корректировки вторичных эффектов, такой как корректировка влияния температуры окружающей среды, в системе биосенсора на фиг.1; и
Фиг.3 и 4 - графики примерных хранимых кривых корректировки, иллюстрирующие характеристики корректировок в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Обращаясь к чертежам, на фиг.1 показано представление системы биосенсора в виде структурной схемы, обозначенной как единое целое посредством номера позиции 100 и организованной в соответствии с принципами настоящего изобретения. Система 100 биосенсора включает в себя микропроцессор 102 вместе с ассоциированной памятью 104 для хранения программы, и пользовательских данных, и кривых корректировки для реализации, основанной на пороге корректировки вторичных эффектов в соответствии с настоящим изобретением. Функциональный блок 106 измерителя, связанный с биосенсором 108, оперативно управляется микропроцессором 102 для записи тестовых значений, таких как тестовые значения глюкозы крови. Вход Включение/Выключение на линии 110, реагирующий на операции Включения/Выключения пользовательского ввода, соединен с микропроцессором 102 для выполнения режима последовательности теста крови системы 100 биосенсора. Вход характеристик системы на линии 112, реагирующий на операцию пользовательского ввода, соединен с микропроцессором 102 для избирательного выполнения режима характеристик системы биосенсора 100. Термистор 114 обеспечивает вход сигнала температуры, показанный на линии 116, присоединен к микропроцессору 102 для определения влияющих воздействий, например информации о температуре для датчика 108, в соответствии с изобретением. Вход сигнала, показанный на линии 120, присоединен к микропроцессору 102 для второй меры влияющих веществ, например гемоглобина, дополнительно предоставленной функциональным блоком 106 измерителя.
Дисплей 130 присоединен к микропроцессору 102 для отображения информации пользователю, включающей результаты теста. Функциональный блок 132 контроля батареи присоединен к микропроцессору 102 для обнаружения состояния низкого уровня или разряда батареи. Функциональный блок 134 сигнала тревоги присоединен к микропроцессору 102 для обнаружения заранее определенных условий системы и для генерации сигналов тревоги для пользователя системы 100 биосенсора. Порт данных или интерфейс 136 связи предусмотрен для прередачи данных на или от присоединенного компьютера (не показан). Микропроцессор 102 содержит соответствующие программы для выполнения способов изобретения, как проиллюстрировано на фиг.2.
Система 100 биосенсора показана в упрощенном виде, достаточном для понимания настоящего изобретения. Проиллюстрированная система 100 биосенсора не предназначена для обозначения архитектурных или функциональных ограничений. Настоящее изобретение может быть использовано вместе с различными аппаратными реализациями и системами.
В соответствии с изобретением, система 100 биосенсора выполняет способ корректировки согласно предпочтительному варианту изобретения, например, для уменьшения температурного отклонения, имеющего общий вид, как показано в нижеследующей таблице 1 и как продемонстрировано и описано со ссылками на фиг.2. Изобретение предоставляет способ алгоритмической корректировки, который преимущественно улучшает точность диагностических тестов химического состава посредством корректирования вторичных эффектов, таких как мешающие вещества или влияние температуры.
Необходимо понимать, что настоящее изобретение может быть применено к любой системе, электрохимической или оптической, которая измеряет концентрацию аналита в качестве первичного измерения и затем использует второе измерение мешающих (воздействующих) веществ, например гемоглобина, или мешающих влияний, например температуры, для компенсации вторичного эффекта и улучшения точности сообщенного результата.
Также желательно минимизировать влияние от гематокрита или объемной доли эритроцитов на точность сообщенного результата. Проводимость или сопротивление цельной крови зависит от концентрации гематокрита. Функциональный блок 120 измерителя может быть использован для измерения сопротивления образца жидкости на линии 120 входа сигнала, и измеренное значение преимущественно используется для корректировки влияния гематокрита на сообщенный результат. Например, измеренное сопротивление преимущественно используется для оценки концентрации гематокрита образца крови и затем для корректировки измерения влияния гематокрита для определения концентарции интересующего вещества в крови. Изобретение предоставляет алгоритмический способ корректировки, который преимущественно повышает точность диагностических тестов химического состава посредством корректирования вторичных эффектов, включающих влияние от гематокрита или температуры.
В соответствии с изобретением, способ алгоритмической корректировки использует кривые корректировки, например, как проиллюстрировано и описано со ссылками на фиг.3 и 4, которые могут быть подогнаны для внесения поправок для любого четко определенного влияния воздействия. Кривые корректировки могут быть линейными и нелинейными. Способ алгоритмической корректировки имеет характеристики, которые могут быть изменены посредством изменения только коэффициентов уравнения, как изложено ниже. Первое, различные функции корректировки могут быть предоставлены выше и ниже пороговой величины. Второе, функции корректировки могут быть зависящими или не зависящими от первичного измерения, которое корректируется. Третье, функции корректировки могут быть или линейными, или нелинейными.
Общая форма алгоритма корректировки
n
Шаг 1. Получить первичное измерение (G).
n
Шаг 2. Получить вторичное измерение, используемое для корректировки G(T).
c
Шаг 3A. Если T<T, тогда:
n
1. A=f(G)
n
c
2. C=F*T+A*(T-T)+H
Шаг 3B. Если T>Tc, тогда:
2
N
3. I=f(G)
n
c
4. C=F*T+I*(T-T)+H
c
N
n
5. G=(G/C), где:
n
G - нескорректированное измерение концентрации аналита;
T - вторичное измерение, используемое для корректировки первичного измерения;
c
T - точка принятия решения или порог, вторичное измерение, большее или меньшее, чем порог, преимущественно может использовать различные функции корректировки;
c
G - конечный скорректированный результат; и
A, I, F, H - коэффициенты, которые управляют амплитудой линий корректировки или определяют кривые корректировки.
n
n
c
c
n
n
n
c
c
n
n
n
c
c
c
n
n
На фиг.2 представлены примерные логические шаги, выполняемые в соответствии с настоящим изобретением, способа реализации, основанной на пороге корректировки вторичных эффектов, такого как корректировка влияния температуры окружающей среды, в системе 100 биосенсора. Вставляется полоска, как указано на этапе 200, и затем выполняется ожидание нанесения образца, как показано на этапе 202. Получают первичное измерение G, как показано на этапе 204. Затем получают вторичное измерение T, которое должно быть использовано для корректировки G(T), как показано на этапе 206. Вторичное измерение T сравнивается со значением T порога, как указано на этапе 208 принятия решения. Если вторичное измерение T меньше или равно значению порога T, то коэффициент A для регулирования величины корректировки определяется так, как показано на этапе 210, где A=f(G). Затем вычисляется корректировка C, как показано на этапе 210, где C=F*T+A*(T-T)+H. В противном случае, если вторичное измерение T больше, чем значение порога T, то коэффициент I для регулирования величины корректировки определяется так, как показано на этапе 214, где I=f2(G). Затем вычисляется корректировка C, как показано на этапе 216, где C=F*T+I*(T-T)+H. Вычисляется конечный скорректированный результат G, как показано на этапе 218, где G=G/C, для завершения алгоритма корректировки, как показано на этапе 220.
c
c
Обращаемся теперь к фиг.3 и 4, здесь показаны соответственные первый и второй примеры, в целом обозначенные ссылочными позициями 300 и 400, иллюстрирующие примерные теоретические кривые корректировки. На фиг.3 и 4 проиллюстрирован процент (%) корректировки относительно вертикальной оси, а вторичное измерение T проиллюстрировано относительно горизонтальной оси. Пороговое значение T показано линией, помеченной T.
n
n
n
n
c
n
n
c
n
c
Фиг.3 иллюстрирует изометрические линии корректировки при разных концентрациях первичного измерения G, где корректировка является зависимой от концентрации первичного измерения G. Как показано на примере 300 на фиг.3, величина корректировки C изменяется вместе с концентрацией G аналита, когда вторичное измерение T выше или ниже порога T. Фиг.4 иллюстрирует изометрические линии корректировки при различных концентрациях первичного измерения G, где корректировка является зависимой от концентраций первичного измерения G выше порогового значения T и является константой и независимой от концентраций первичного измерения G ниже и равных пороговому значению T.
Несмотря на то, что настоящее изобретение описано со ссылкой на подробности вариантов осуществления изобретения, показанного на чертежах, эти подробности не предназначены для ограничения объема изобретения, как заявлено в прилагаемой формуле изобретения.