НАТЕЛЬНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
MEASURING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится области измерения содержания аналитов, в частности глюкозы, в физиологической жидкости или ткани организма. В частности, изобретение относится к конструированию измерительно-управляющих схем для непрерывного измерения аналита.
Уровень техники
Известны системы для непрерывного измерения аналита, предназначенные для проведения измерений (выполняемых инвазивным образом и in vitro) концентрации аналита в физиологической жидкости или ткани организма пациента. Они используются, например, для непрерывного мониторирования уровня гликемии больного диабетом в течение длительного периода времени от нескольких дней до нескольких недель, после чего они заменяются, как правило, самим пациентом, его родственником и т.п.
Сенсоры, используемые в таких системах, обычно работают по принципу амперометрического измерения и включают несколько электродов, размещаемых на электрододержателе, имеющем, как правило, продолговатую форму. При использовании часть электрододержателя, несущая электрод, вводится в подкожную ткань пациента, а измерение концентрации глюкозы выполняется в интерстициальной жидкости. Из уровня техники известны самые разнообразные конструкции сенсоров и электродов. Электроды сенсоров и окружающая жидкость и/или ткань организма, содержащая аналит, вместе образуют электрохимическую ячейку. Такая структура подразумевается и в приведенном ниже описании, если только явным образом не указано иное.
Для функционирования таких систем помимо собственно сенсора требуются сложные схемы. В типичном исполнении сенсор содержит три электрода, а именно рабочий электрод, противоэлектрод и электрод сравнения, а в основе схемы измерения и сопряжения лежит схема прибора, известного как потенциостат. Во время работы потенциостат прикладывает к противоэлектроду управляемое переменное напряжение, тем самым поддерживая разность потенциалов, или напряжение, между рабочим электродом и электродом сравнения на заданном постоянном уровне (напряжение поляризации). Ток, текущий между противоэлектродом и рабочим электродом, соотносят с концентрацией аналита и измеряют для целей анализа.
Хотя существует множество известных схем потенциостатов, в контексте описанного выше приложения имеется ряд ограничений и граничных условий, оказывающих значительное влияние на конструкцию потенциостата и располагаемые проектные решения, что делает многие конструкции практически неосуществимыми или, по меньшей мере, невыгодными.
Целесообразно, чтобы схема измерения и сопряжения была расположена как можно ближе к сенсору. Соответственно, она должна быть как можно меньше, компактнее и легче. Электрододержатель обычно прикреплен к клейкой опорной пластине, устанавливаемой на коже пациента, и выступает из клейкой опорной пластины. Кроме того, для разъемного электрического и механического соединения со схемой измерения и сопряжения предусмотрена структура механического и электрического сопряжения (разъем), как правило, устанавливаемая непосредственно на коже пациента. Однако классические конструктивные решения потенциостата предполагают наличие сравнительно большого числа сложных компонентов, например нескольких операционных усилителей. Также желательно обеспечить питание сенсора и электрических схем от одной батареи, например, от дискового элемента питания (также называемого элементом питания таблеточного типа). Однако наличие асимметричного источника питания значительно увеличивает схемотехническую сложность и число потребных электронных компонентов.
Поскольку подаваемые на сенсор напряжения и снимаемые с него токи довольно малы и непосредственно влияют на результаты измерений, критически важным является обеспечение надлежащего контакта с сенсором. Если сенсор с электродами является одноразовым изделием, выбрасываемым после его извлечения из ткани организма, то типичная схема измерения и сопряжения является слишком дорогостоящей, чтобы выбрасывать ее после сравнительно короткого времени применения. Соответственно, между сенсором и электрической схемой необходимо использовать дорогостоящие и критически важные электрические разъемы.
Основной целью настоящего изобретения является усовершенствование уровня техники в отношении схемных решений измерительной схемы для непрерывного измерения аналита, в частности непрерывного измерения глюкозы. При этом целесообразно полностью или частично устранить один или несколько из вышеупомянутых недостатков известных решений. В общем смысле эта основная цель достигается совокупностью признаков независимого пункта формулы изобретения. Примеры осуществления изобретения и его особенно целесообразные варианты охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения и в настоящем описании. Раскрытие сущности изобретения
В одном аспекте основная цель изобретения достигается в нательном измерительном устройстве (также называемом "устройством на пластыре") для инвазивного измерения концентрации аналита. Нательное измерительное устройство может содержать сенсор для чрескожной установки в ткани пациента, содержащий рабочий электрод, противоэлектрод и электрод сравнения. Нательное измерительное устройство также может содержать опорную пластину для установки на коже пациента, причем сенсор выступает из клейкой поверхности опорной пластины. Аналит может представлять собой, в частности, глюкозу, но также быть аналитом, присутствующим в физиологической жидкости организма пациента. Физиологической жидкостью, в которой должна измеряться концентрация аналита, может быть, например, кровь или интерстициальная жидкость, причем второй случай особенно подходит для измерения концентрации глюкозы.
Рабочий электрод, противоэлектрод и электрод сравнения отличаются друг от друга, т.е. не совпадают, и каждый из них функционально связан с блоком электроники, как правило, гальванической связью. Электроды расположены на жестком, полужестком или мягком электрододержателе, который выступает из клейкой поверхности опорной пластины по существу перпендикулярно или, в качестве альтернативы, под другим (отличным от прямого) углом для наклонной установки в ткани. Электрододержатель обычно выполнен в виде продолговатой части подложки. Если электрододержатель имеет полужесткое или мягкое исполнение (недостаточно жесткое для непосредственного введения в ткань), то может быть предусмотрен жесткий вспомогательный элемент для введения, например в виде канюли, внутри которой располагается вводимый сенсор. После успешного введения этот вспомогательный элемент вытягивают из ткани. Может быть предусмотрено вводное устройство (устройство для введения сенсора), предназначенное для обеспечения направленного, при необходимости автоматизированного, процесса введения, например приводимое в действие пружинным механизмом. Как возможный вариант, такой вводной инструмент может быть выполнен с возможностью, например, автоматизированного вывода вспомогательного вводного элемента. Конструкция подходящих сенсоров и вводных устройств широко известна в уровне техники.
Нательное измерительное устройство также может содержать блок электроники, содержащий микроконтроллер и токоизмерительный узел. Микроконтроллер имеет управляющий выход, первый аналоговый вход и второй аналоговый вход. Управляющий выход функционально связан с управляющим электродом, которым является либо рабочий электрод, либо противоэлектрод. Первый аналоговый вход функционально связан через токоизмерительный узел с измерительным электродом, которым является либо рабочий электрод, либо противоэлектрод. Второй аналоговый вход функционально связан с электродом сравнения. Микроконтроллер выполнен с возможностью осуществляемого путем подачи управляющего напряжения на управляющий выход регулирования разности потенциалов между рабочим электродом и противоэлектродом с приведением ее к заданному напряжению поляризации.
Концентрацию аналита определяют посредством блока электроники, обычно микроконтроллера, путем амперометрического измерения тока, протекающего через измерительный электрод, с использованием токоизмерительного узла.
В соответствии с настоящим изобретением микроконтроллер служит, вместе с возможными периферийными электронными устройствами, цифровым потенциостатом, регулирующим потенциал управляющего электрода таким образом, чтобы разность потенциалов между рабочим электродом и электродом сравнения поддерживалась по существу постоянной. Для этого встроенное программное обеспечение микроконтроллера запрограммировано для реализации цифрового контроллера с замкнутым контуром управления. Заданное напряжение поляризации как разность потенциалов между рабочим электродом и электродом сравнения определяет заданное значение регулируемого параметра. Это значение может находиться в типичном диапазоне, составляющем, например, от 100 до 500 милливольт, и может быть равно, например, 350 милливольт. Фактическая разность потенциалов между рабочим электродом и электродом сравнения определяет действительное значение регулируемого параметра. Его определяют по напряжениям, подаваемым на первый аналоговый вход и второй аналоговый вход. Для этого микроконтроллер имеет первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), связанные соответственно с первым и вторым аналоговым входами. В качестве альтернативы двум АЦП может быть предусмотрен один АЦП, обрабатывающий напряжения с первого и второго аналоговых входов, например путем мультиплексирования. Разрешение АЦП может составлять, например, 12 битов. Разность между фактической разностью потенциалов (напряжение между рабочим электродом и электродом сравнения) и заданным напряжением поляризации определяет рассогласование регулируемого параметра.
В составе микроконтроллера или в качестве отдельной части блока электроники целесообразно иметь источник опорного напряжения, причем опорное напряжение должно поддерживаться постоянным при переменном напряжении питания. При помощи этого постоянного опорного напряжения и контроллера, обеспечивающего замкнутое регулирование (регулирование с обратной связью), напряжение поляризации между электродом сравнения и рабочим электродом поддерживается постоянным в меняющихся условиях.
Предлагаемое схемотехническое решение позволяет обойтись без большинства конструктивно самостоятельных и отдельных компонентов электроники, обычно необходимых для реализации потенциостата, и в дополнение к микроконтроллеру предполагает использование лишь небольшого количества компонентов. Микроконтроллер может быть известным серийно выпускаемым микроконтроллером, который, как правило, имеет несколько аналоговых входов, а также другие интерфейсы ввода-вывода.
Для предлагаемой в изобретении компоновки напряжение поляризации может быть положительным или отрицательным в зависимости от конструкции сенсора. Кроме того, ток может течь от рабочего электрода к противоэлектроду или наоборот. Далее, любой из рабочего электрода и противоэлектрода может служить управляющим электродом и любой из рабочего электрода и противоэлектрода может служить измерительным электродом. Ряд таких вариантов обсуждается ниже при рассмотрении примеров осуществления изобретения.
В некоторых вариантах осуществления изобретения диапазон входных напряжений, которые могут преобразовываться аналого-цифровым преобразователем на аналоговых входах, а также диапазон выходных напряжений на аналоговом выходе зависят от напряжения питания блока электроники. В одном принимаемом ниже варианте осуществления изобретения минимальное преобразуемое напряжение равно или практически равно нулю (при измерении относительно земли), максимальное преобразуемое напряжение по существу соответствует (положительному) напряжению питания, т.е. размах напряжений по существу равен напряжению питания.
В некоторых целесообразных вариантах осуществления изобретения, также принимаемых ниже, микроконтроллер также содержит внутренний источник опорного напряжения, в частности источник опорного напряжения для аналого-цифрового преобразования, который в широком диапазоне напряжений питания от аккумулятора выдает по существу постоянное абсолютное значение опорного напряжения. Таким образом, даже при переменном напряжении питания от аккумулятора можно поддерживать постоянное абсолютное значение напряжения поляризации. Вместе с тем, как возможный вариант, можно использовать источник опорного напряжения, внешний по отношению к микроконтроллеру.
В одном варианте осуществления изобретения блок электроники содержит повторитель напряжения, через который электрод сравнения функционально связан со вторым аналоговым входом. Повторитель напряжения может быть реализован на базе операционного усилителя, как общеизвестно из уровня техники. Для обеспечения точности результатов измерения и во избежание возможного повреждения сенсора, причиной которого может стать прохождение тока через электрод сравнения, очень важно измерять потенциал электрода сравнения статически, т.е. при пренебрежимо малом токе через электрод сравнения. Следовательно, протекание тока имеет место только между рабочим электродом и противоэлектродом. В частных вариантах осуществления изобретения операционный усилитель повторителя напряжения является единственным электронным компонентом между электродом сравнения и вторым аналоговым входом, выход операционного усилителя повторителя напряжения связан непосредственной гальванической связью со вторым аналоговым входом, а электрод сравнения предпочтительно связан непосредственной гальванической связью с неинвертирующим входом операционного усилителя повторителя напряжения. В контексте изобретения под непосредственной гальванической связью понимается связь, реализованная без электронных компонентов на пути протекания тока, но не обязательно исключающая наличие электрических контактов или разъемов.
В одном варианте осуществления изобретения микроконтроллер содержит цифро-аналоговый преобразователь, функционально связанный с управляющим выходом, причем управляющий электрод функционально связан с управляющим выходом непосредственной гальванической связью или через узел выборки и хранения, который предпочтительно представляет собой пассивную резистивно-емкостную (RC) цепь. Управляющий выход может выдавать напряжение непрерывно, и в этом случае целесообразно, чтобы управляющий электрод был связан (с управляющим выходом) непосредственной гальванической связью. Из соображений энергосбережения управляющий выход может выдавать управляющее напряжение лишь периодически, или циклически, со сравнительно низким коэффициентом заполнения цикла. В некоторых вариантах осуществления изобретения коэффициент заполнения цикла может составлять всего от 5% до 10%. Абсолютная частота может выбираться в широких пределах от, например, 10 Гц до нескольких сотен килогерц. Для непрерывной подачи управляющего напряжения на управляющий электрод с достаточной стабильностью может быть предусмотрен узел "выборки и хранения", предпочтительно являющийся пассивным, или фильтр пропускания низких частот. Такой узел "выборки и хранения", или фильтр пропускания низких частот, может быть реализован резистивно-емкостной цепью, как известно из уровня техники, например цепью с одним резистором и одним конденсатором.
Хотя в состав многих известных микроконтроллеров входит один или несколько цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), это не является обязательным. В качестве альтернативы генерированию управляющего напряжения непосредственно посредством ЦАП, управляющий выход может быть цифровым двоичным выходом, на котором микроконтроллер выдает двоичный управляющий сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В этом случае для выработки управляющего напряжения из широтно-импульсно-модулированного сигнала может быть предусмотрена резистивно-емкостная цепь пассивного фильтра пропускания низких частот.
В одном варианте осуществления изобретения токоизмерительный узел содержит дифференциальный усилитель или преобразователь ток-напряжение.
Как дифференциальные усилители, так и преобразователи напряжения могут строиться на базе операционного усилителя и дополнительных пассивных компонентов, в частности резисторов, как известно из уровня техники. Соответствующие схемы также могут содержать дополнительные компоненты и/или функциональные звенья, в частности инвертирующие и/или неинвертирующие усилители, которые предпочтительно также строятся на базе операционных усилителей.
Характерные и особенно целесообразные схемотехнические решения рассматриваются ниже в контексте примеров осуществления изобретения.
В одном варианте осуществления изобретения управляющий электрод отличается от измерительного электрода. Вместе с тем, в качестве альтернативы управляющий электрод и рабочий электрод могут совпадать.
В одном варианте осуществления изобретения управляющим электродом является противоэлектрод, а измерительным электродом является рабочий электрод. В альтернативном варианте осуществления изобретения, в котором рабочий электрод отличается от измерительного электрода, управляющим электродом является рабочий электрод, а измерительным электродом - противоэлектрод.
В одном варианте осуществления изобретения блок электроники функционально связан с асимметричным источником питания, в частности с источником питания одного напряжения, или выполнен с возможностью подключения к нему. Асимметричный источник питания целесообразен потому, что он может быть реализован в виде одной аккумуляторной батареи, например дискового элемента питания. Предлагаемое в изобретении нательное измерительное устройство выгодно тем, что оно может быть воплощено с применением асимметричного источника питания без необходимости в значительном количестве дополнительных электрических схем или компонентов.
В некоторых вариантах осуществления изобретения потенциал рабочего электрода или противоэлектрода зафиксирован равным некоторому опорному потенциалу, например земле, за счет непосредственной гальванической связи.
В некоторых вариантах осуществления изобретения потенциал одного из электродов, в частности противоэлектрода, сдвигается посредством соответствующей схемы для целей компенсации сдвига и/или обеспечения возможности измерения ток», протекающего между рабочим электродом и противоэлектродом в направлении, противоположном стандартному направлению тока, соответствующему конструкции сенсора и электрических схем. Такой сдвиг потенциала может быть реализован посредством сдвигающего потенциал звена, которое может быть реализовано пассивной резистивно-емкостной цепью, посредством сдвигающего напряжения, генерируемого посредством ЦАП, посредством ШИМ-сигнала с соответствующей схемой фильтрации/сглаживания, посредством дополнительного источника опорного напряжения, регулятора напряжения и т.п.
В одном варианте осуществления изобретения микроконтроллер выполнен с возможностью обнаружения воздушных пузырьков, контактирующих по меньшей мере с одним из следующих электродов: рабочим электродом, противоэлектродом и/или электродом сравнения.
С помощью соответствующих алгоритмов, которые могут быть реализованы микроконтроллером, можно обнаруживать воздушные пузырьки. Наличие воздушных пузырьков отражается в значительных искажениях сигнала. При наличии воздушных пузырьков, контактирующих с одним или несколькими электродами или окружающих его/их, результаты измерения концентрации аналита становятся неточными, а измерение концентрации аналита становится потенциально невозможным.
Аналогичным образом, микроконтроллер может быть выполнен, за счет реализации соответствующих алгоритмов, с возможностью обнаружения других ошибок, артефактов и/или опасных ситуаций, таких как неисправность компонентов или нарушение соединений с сенсором. Для этого контроллер, например, может быть выполнен с возможностью временного и кратковременного изменения управляющего напряжения и/или напряжения поляризации в соответствии с графиком тестирования, например раз в сутки, и определения того, отражают ли сигналы, принимаемые от сенсора через аналоговые входы, такое изменение напряжения, ожидаемым образом.
В некоторых вариантах осуществления изобретения микроконтроллер также может быть выполнен с возможностью выполнения других программ, связанных с измерением концентрации аналита, таких как выделение в измерительном сигнале составляющих переменного и постоянного тока и/или нормирование сигнала, например сглаживание, удаление искажений/помех, калибровка, линеаризация и т.п. Такие программы или алгоритмы могут включать в себя известные из уровня техники алгоритмы цифровой обработки и фильтрации сигналов, в том числе адаптивные фильтры, такие как фильтры Калмана.
В качестве альтернативы или дополнения, некоторые или все вышеупомянутые функции, такие как обнаружение опасностей/ошибок и обработка сигналов могут быть реализованы на других блоках или устройствах, входящих в систему измерения аналита, подробнее рассматриваемую ниже.
В одном варианте осуществления изобретения блок электроники и сенсор механически соединены неразъемным соединением. В подобном варианте сенсор, опорная пластина и компоненты электроники нательного измерительного устройства образуют конструктивно компактный и цельный модуль, который используется в течение некоторого времени эксплуатации, а затем целиком выбрасывается. Целесообразно, чтобы электрические схемы располагались в соответствующей оболочке или корпусе и находились на неприлипающей поверхности опорной пластины, противоположной сенсору. В такой оболочке или корпусе также могут быть заключены источник питания, например дисковый элемент питания, а также другие компоненты, обсуждаемые ниже в контексте различных архитектур системы. Гальваническую связь между электродами и электрическими схемами целесообразно обеспечить жестким монтажом, избегая применения электрических разъемов.
В одном варианте осуществления изобретения сенсор и блок электроники механически соединены разъемным соединением или выполнены с возможностью механического разъемного соединения. В подобном варианте осуществления изобретения для электрического соединения электродов сенсора и блока электроники предусмотрены разъемные или разделяемые контакты. На неприлипающей поверхности опорной пластины и оболочке или корпусе блока электроники могут быть предусмотрены соответствующие электрические и механические интерфейсные конструкции (разъемы и замки), что обеспечивает возможность разъемного или разделяемого соединения, например соединения на защелках. В подобном варианте осуществления изобретения опорная пластина и сенсор образуют вместе единый одноразовый блок из сенсора и опорной пластины со сравнительно коротким сроком использования, тогда как блок электроники, предпочтительно содержащий источник питания, может иметь значительно более долгий срок использования, находящийся, например, в пределах года или большего периода, и может использоваться с множеством поочередно заменяемых блоков из сенсора и опорной пластины.
Некоторые целесообразные варианты общей системной архитектуры нательного измерительного устройства для измерения аналита подробнее рассматриваются ниже в контексте примеров осуществления изобретения.
В одном варианте осуществления изобретения блок электроники содержит устройство передачи данных, посредством которого он способен вести обмен данными, в частности данными о концентрации аналита или данными, соотносящимися с концентрацией аналита, с дополнительным блоком электроники.
Передаваемыми данными могут быть обработанные данные о концентрации аналита. В этом случае речь идет о вариантах осуществления изобретения, в которых блок электроники, а именно микроконтроллер, реализует алгоритмы обработки данных и программы для вычисления концентрации аналита, например программы и алгоритмы для линеаризации, калибровки, фильтрации и т.д. В качестве альтернативы, передаваемыми данными могут быть предварительно обработанные измерительные данные или необработанные данные.
В одном варианте осуществления изобретения устройство передачи данных представляет собой устройство беспроводной передачи данных, предпочтительно устройство связи в ближнем поле. Целесообразно, чтобы блок электроники был изолирован от окружающей среды. Устройство связи в ближнем поле может быть серийно выпускаемым устройством связи, работающим по технологии радиочастотной идентификации (RFID), или может быть устройством беспроводной передачи данных иного типа, например специализированным индуктивным и/или емкостным устройством связи. Целесообразно, чтобы изоляция от окружающей среды обеспечивала герметизацию и защиту, позволяющую использовать блок электроники в типичных бытовых ситуациях, включая, например, принятие душа или ванны.
В одном варианте выполнения нательного измерительного устройства также содержит дополнительный блок электроники, содержащий дополнительное устройство передачи данных, способное устанавливать связь с устройством передачи данных, и выполненный с возможностью механического разъемного соединения с блоком электроники.
В таком варианте осуществления изобретения блок электроники нательного измерительного устройства содержит главным образом электрические схемы, непосредственно относящиеся к измерению. Дополнительный блок электроники может содержать один или несколько дополнительных микроконтроллеров, микропроцессоров, память для хранения данных, высокоуровневое устройство оценки и/или анализа сигналов и т.п.
В одном варианте выполнения нательного измерительного устройства блок электроники и дополнительный блок электроники имеют отдельные источники питания.
В одном варианте выполнения нательного измерительного устройства также содержит устройство беспроводной связи с удаленным устройством, функционально связанное с микроконтроллером и способное вести обмен данными, в частности данными о концентрации аналита или данными, соотносящимися с концентрацией аналита, с дополнительным отдельным удаленным устройством.
В другом аспекте вышеупомянутая основная цель изобретения также достигается в способе измерения концентрации аналита, в частности глюкозы, и/или в способе эксплуатации нательного измерительного устройства. Способ включает подготовку нательного измерительного устройства. Нательное измерительное устройство содержит сенсор для чрескожной установки в ткани пациента. Сенсор содержит рабочий электрод, противоэлектрод и электрод сравнения. Нательное измерительное устройство также содержит опорную пластину для установки на коже пациента, причем сенсор выступает из клейкой поверхности опорной пластины. Нательное измерительное устройство также содержит блок электроники, содержащий микроконтроллер и токоизмерительный узел.
Способ может включать установление функциональной связи управляющего выхода микроконтроллера с управляющим электродом, которым является либо рабочий электрод, либо противоэлектрод. Способ также может включать установление функциональной связи первого аналогового входа микроконтроллера через токоизмерительный узел с измерительным электродом, которым является либо рабочий электрод, либо противоэлектрод. Способ также может включать установление функциональной связи второго аналогового входа микроконтроллера с электродом сравнения. В качестве альтернативы, рабочий электрод, противоэлектрод и электрод сравнения могут быть функционально связаны между собой в составе нательного измерительного устройства перед осуществлением способа. Способ также может включать регулирование разности потенциалов между рабочим электродом и противоэлектродом с приведением ее к заданному напряжению поляризации путем подачи управляющего напряжения на управляющий выход.
При осуществлении предлагаемого в изобретении способа для измерения аналита может использоваться предлагаемое в изобретении нательное измерительное устройство. Таким образом, описание частных вариантов выполнения нательного измерительного устройства для измерения аналита одновременно раскрывает соответствующие варианты осуществления способа измерения концентрации аналита, и наоборот.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан пример выполнения нательного измерительного устройства для измерения аналита.
На фиг. 2 показан еще один пример выполнения нательного измерительного устройства для измерения аналита.
На фиг. 3 показан еще один пример выполнения нательного измерительного устройства для измерения аналита.
На фиг. 4 показан пример выполнения измерительно-управляющей схемы.
На фиг. 5 показан еще один пример выполнения измерительно-управляющей схемы.
На фиг. 6 показан еще один пример выполнения измерительно-управляющей схемы.
На фиг. 7 показан еще один пример выполнения измерительно-управляющей схемы.
На фиг. 8 показан еще один пример выполнения измерительно-управляющей схемы.
На фиг. 9 показан еще один пример выполнения измерительно-управляющей схемы.
На фиг. 10 показан еще один пример выполнения измерительно-управляющей схемы.
На фиг. 11 показан еще один пример выполнения измерительно-управляющей схемы.
На фиг. 12 показан еще один пример выполнения измерительно-управляющей схемы.
Примеры осуществления изобретения
В нижеследующем описании сначала рассматривается фиг. 1. На фиг. 1 показан пример выполнения предлагаемого в изобретении нательного измерительного устройства 1 для измерения аналита, представленного в виде структурно-функциональной схемы. Как и на рассматриваемых ниже чертежах, если только прямо не указано иное, конкретное размещение и взаимное расположение отдельных элементов не подразумевает какой-либо конкретной конструкции и/или геометрической компоновки. Например, аналит представляет собой глюкозу, а нательное измерительное устройство выполнено для измерения концентрации глюкозы внутри интерстициальной ткани.
Нательное измерительное устройство 1 содержит сенсор 10, опорную пластину 11 и блок электроники 12.
Сенсор 10 содержит электрододержатель 100, выполненный с возможностью чрескожной установки в ткани пациента, выполняемой либо вручную, либо при помощи вводного устройства. В своей подкожной части, т.е. части, находящейся в процессе использования под кожей, электрододержатель 100 несет на себе три электрода, а именно рабочий электрод 101, электрод 102 сравнения и противоэлектрод 103, причем эти три электрода являются отличными друг от друга. Из уровня техники известны подходящие компоновки электродов, которые могут использоваться в контексте нательного измерительного устройства 1.
Опорная пластина 11 имеет клейкую поверхность 110, которая прикрепляется к коже пациента и из которой сенсор 10, или электрододержатель 100, выступает перпендикулярно (как в показанном примере) или под другим требуемым углом. Три электрода 101, 102, 103 гальванически связаны, или связаны проводным соединением, с группой 104 соответствующих сенсорных контактов, расположенных на обращенной от кожи стороне (обычно неприлипающей) опорной пластины 11. На нательном измерительном устройстве предусмотрена механическая интерфейсная конструкция 111, которая предназначена для разъемного механического соединения с описываемым ниже блоком электроники, и может содержать защелкивающиеся элементы, запоры, замки и т.п., как общеизвестно из уровня техники. В показанном варианте осуществления изобретения сенсор 10, опорная пластина 11 и связанные с ними компоненты образуют неразъемный одноразовый блок, рассчитанный на использование в течение ограниченного времени, составляющего от нескольких дней до нескольких недель, после чего его выбрасывают.
Блок электроники 12 содержит узел 120 цифрового потенциостата на базе микроконтроллера, группу 121 контактов блока электроники, вспомогательный электронный узел 122, устройство 123 связи с удаленным устройством, и источник питания в виде одной батареи 124, например дисковый элемент питания.
Вышеупомянутые компоненты блока электроники 12 заключены в корпус 12. Корпус 12 выполнен с возможностью разъемного сцепления с механической интерфейсной конструкцией 111, имеющейся на опорной пластине. Контакты из группы 121 контактов блока электроники, доступны снаружи корпуса и расположены так, чтобы при сцеплении корпуса 125 и механической интерфейсной конструкции 111 соединяться с соответствующими контактами из группы 104 сенсорных контактов, тем самым обеспечивая гальваническую связь между электродами 101, 102, 103 и узлом 120 цифрового потенциостата. В некоторых вариантах осуществления изобретения корпус 125 герметично изолирован от окружающей среды, в частности выполнен водонепроницаемым, и не рассчитан на его вскрытие. В таких вариантах осуществления изобретения батарея 124 может быть рассчитана на то, чтобы снабжать энергией блок электроники 12 в течение всего его срока службы, составляющего, например, 6 или 12 месяцев, или может быть перезаряжаемой и заряжаемой, например, за счет индуктивного подсоединения дополнительных зарядных контактов (не показаны). В качестве альтернативы, батарея 124 может быть заменяемой. Блок электроники 12 рассчитан на то, чтобы использоваться с множеством поочередно заменяемых одноразовых блоков.
Вспомогательный электронный узел 122 обеспечивает функциональность, необходимую в дополнение к узлу 120 цифрового потенциостата, и функционально связан с узлом 120 цифрового потенциостата. Он может обеспечивать такую функциональность, как линеаризация, фильтрация, калибровка, хранение данных и т.д., как описано выше.
Посредством устройства 123 связи с удаленным устройством блок электроники 12 может устанавливать функциональную связь и вести обмен данными с дополнительным удаленным устройством 2, например по стандарту Bluetooth или по любому другому подходящему общему или частному стандарту и/или протоколу связи. Дополнительное удаленное устройство 2 может представлять собой, например, устройство управления диабетом, выполненное по конструкции и форме подобно сотовому телефону. Удаленное устройство 2 обычно используют для отображения измеренных значений аналита, графиков изменения концентрации аналита во времени, статистических оценок и т.д. Удаленное устройство 2 также может быть выполнено с возможностью хранения измеренных концентраций аналита, а также с возможностью соединения с другими устройствами, такими как персональный компьютер (ПК). Удаленное устройство также может использоваться для передачи в блок электроники данных, в частности калибровочных данных.
В некоторых вариантах осуществления изобретения блок электроники 1 и удаленное устройство 2 выполнены с возможностью по существу непрерывного поддержания функциональной связи между собой, т.е. взаимодействия друг с другом, с обеспечением непрерывной передачи измеряемых данных о концентрации аналита в удаленное устройство 2. В качестве альтернативы, блок электроники может быть выполнен с возможностью сохранения измеренных данных о концентрации аналита во внутренней памяти, например во вспомогательном электронном узле, и с возможностью передачи этих данных, осуществляемой время от времени, по жестко заданному графику или по требованию, когда передача инициируется, например, пользователем на удаленном устройстве. В еще одном варианте определяют и передают по требованию в удаленное устройство 2 только одно значение концентрации аналита, например значение глюкозы крови.
В качестве альтернативы устройству управления диабетом, удаленное устройство 2 может представлять собой устройство для введения в организм лекарственного средства, в частности инсулиновую помпу. В таком варианте осуществления изобретения данные о концентрации аналита, измеряемые нательным измерительным устройством 1, используются для управления введением лекарственного средства соответствующим устройством, например по замкнутому или полузамкнутому циклу управления, как общеизвестно из уровня техники. В еще одном варианте осуществления изобретения блок электроники 12 выполнен с возможностью установления связи, посредством своего устройства 123 связи с удаленным устройством, с несколькими удаленными устройствами.
Следует отметить, что деление блока электроники 12 на отдельные функциональные единицы, в частности узел 120 цифрового потенциостата и вспомогательный электронный узел 122, приведено только по соображениям ясности и не предполагает конкретной технической реализации. Как правило, функциональность вспомогательного электронного узла 122 реализуется, полностью или частично, тем же микроконтроллером, что используется в узле 120 цифрового потенциостата, и соответствующей прошивкой. Соответственно, вспомогательный электронный узел 122 и узел цифрового потенциостата также могут рассматриваться как один общий узел.
Ниже дополнительно рассматривается фиг. 2. На фиг. 2 показан еще один пример выполнения предлагаемого в изобретении нательного измерительного устройства 1 для измерения аналита, представленного в виде структурно-функциональной схемы, аналогичной фиг. 1. Поскольку вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 2, в ряде аспектов соответствует варианту, показанному на фиг. 1, ниже рассматриваются только признаки, в части которых эти варианты расходятся или различаются.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 2, отсутствуют механическая интерфейсная конструкция 111, группа 104 сенсорных контактов и группа 121 контактов блока электроники. Вместо этого блок электроники 12, или его корпус 125, прикреплен к опорной пластине 11 неразъемным соединением, например при помощи клея или ультразвуковой сварки. При этом целесообразно, чтобы компоненты блока электроники 12 были заключены в корпус 125 и герметично капсулированы в нем с обеспечением их изоляции от окружающей среды, в частности водонепроницаемым образом.
Вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 2, имеет ряд преимуществ, как с технической точки зрения, так и в плане удобства их использования. Как поясняется выше, отсутствие разъема с электрическими контактами между электродами 101, 102, 103 и схемой цифрового потенциостата является технически выгодным ввиду сравнительно низких используемых потенциалов, или напряжений, и токов. Кроме того, облегчается герметизация, т.е. изоляция от окружающей среды. Если в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, в области групп 104, 121 контактов предусмотрены средства уплотнения, в варианте, показанном на фиг. 2, такие средства не требуются. Отсутствие разъемов, а соответственно, и уменьшение числа операций, выполняемых при эксплуатации, делает ежедневное применение устройства особенно простым. Этот аспект имеет особую важность для больных диабетом, которым часто приходится иметь дело с визуальными и/или тактильными неудобствами.
Недостатком варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 2, является то, что нательное измерительное устройство 1 в конце его сравнительно короткого срока службы приходится выбрасывать целиком, в том числе вместе с компонентами электроники и батареей, которые в принципе могут использоваться повторно. Соответственно, критичными становятся затраты, возникающие при длительной эксплуатации. Благодаря сравнительно малому числу электронных компонентов, необходимых для конструирования блока электроники, а именно предлагаемого в изобретении цифрового потенциостата, этот вариант практически осуществим с экономической точки зрения.
Ниже дополнительно рассматривается фиг. 3. На фиг. 3 показан еще один вариант выполнения нательного измерительного устройства 1. В этом варианте блок электроники выполнен в основном аналогично варианту, показанному на фиг. 2, при этом сенсор 10, опорная пластина 11 и блок электроники 12 образуют общий неразделяемый узел, в частности узел с непосредственной гальванической связью между электродами 101, 102, 103 и схемой 120 цифрового потенциостата.
Однако в отличие от варианта, показанного на фиг. 2, блок электроники 12 содержит устройство 126 передачи данных, в частности устройство связи в ближнем поле (NFC), например устройство связи, работающее по технологии радиочастотной идентификации (RFID).
Кроме того, предусмотрен дополнительный блок электроники 13, имеющий свой корпус 135. Блок электроники 12 и дополнительный блок электроники 13 выполнены с возможностью надежного соединения друг с другом посредством соединительного устройства 137. Корпус 135 дополнительного блока электроники выгоден тем, что он обеспечивает изоляцию компонентов дополнительного блока электроники 13 от окружающей среды.
Дополнительный блок электроники 13 содержит дополнительное устройство 136 передачи данных, способное обмениваться данными с устройством 126 передачи данных, в частности принимать данные от него. Дополнительный блок электроники 13 также содержит модуль 130 электроники, функционально связанный с дополнительным устройством 136 передачи данных и фактически реализующий функциональность вспомогательного электронного узла 122 в качестве альтернативы вариантам осуществления изобретения, показанным на фиг. 1 и 2. Модуль электроники 130 функционально связан с устройством 133 беспроводной связи с удаленным устройством для обмена данными с удаленным устройством 2, как обсуждалось выше. Дополнительный блок электроники 13 снабжается энергией от своего источника питания 134, например батареи. В отличие от блока электроники 12, дополнительный блок электроники 13 допускает многократное использование и рассчитан на эксплуатацию в течение длительного срока службы.
Варианту осуществления изобретения, показанный на фиг. 3, присущи те же преимущества, что и варианту, показанному на фиг. 2, а именно то, что для подключения сенсора 10 не нужен разъем с контактами, и что корпус 125 блока электроники может быть выполнен герметичным с обеспечением изоляции его содержимого от окружающей среды. Кроме того, батарея 124 может быть выполнена меньшей по сравнению с вариантом, показанным на фиг. 2, поскольку она питает меньшее число компонентов, а для передачи данных достаточно использовать лишь связь в ближнем поле. Кроме того, в состав одноразового блока электроники 12 входит меньшее число электронных компонентов. В частности, сравнительно дорогостоящие компоненты, такие как устройство 133 связи с удаленным устройством (например, модуль связи по указанному выше стандарту Bluetooth), допускают многократное применение.
В одном из вариантов в состав блока электроники входит рассмотренный выше вспомогательный электронный узел 122, выполняющий такие задачи, как фильтрация, калибровка и/или линеаризация, тогда как модуль электроники 130 используется для высокоуровневой оценки данных, хранения данных и т.д. В еще одном варианте блок электроники.
В еще одном варианте источник питания, или батарея 124, в блоке электроники 12 отсутствуют, и блок электроники 12 снабжается энергией от дополнительного блока электроники, например за счет индуктивной связи.
Независимо от конкретного варианта осуществления изобретения, при необходимости может быть предусмотрено устройство тревожной сигнализации, например звуковое устройство тревожной сигнализации в виде акустического преобразователя и/или тактильное устройство тревожной сигнализации в виде вибратора абонентского приемника системы персонального вызова, что позволяет выдавать пользователю тревожный сигнал, например в случае неисправности устройства или критической ситуации, связанной с измеренной концентрацией аналита, например гипогликемической или гипергликемической ситуацией, когда аналитом является глюкоза. Для вариантов осуществления изобретения, показанных на фиг. 1 или на фиг. 2, устройство тревожной сигнализации может быть частью одноразового блока электроники, например вспомогательного электронного узла 122. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 3, устройство тревожной сигнализации может быть частью дополнительного блока электроники 13, например частью модуля электроники 130.
Ниже дополнительно рассматривается фиг. 4. На фиг. 4 схематически показан пример выполнения измерительно-управляющей схемы, или схемы 120 цифрового потенциостата, в соответствии с настоящим изобретением. Схема 120 цифрового потенциостата содержит микроконтроллер 1200, неинвертирующий усилитель 1201, повторитель 1202 напряжения и преобразователь 1203 ток-напряжение. Как поясняется выше, микроконтроллер может быть дополнительно настроен или запрограммирован на выполнение других задач. Следует отметить, что указанный тип микроконтроллера приведен в качестве примера и может быть заменен множеством других микроконтроллеров.
На фиг. 4 и в последующих вариантах осуществления изобретения, а также в описании используются следующие условности. Напряжение поляризации Vpol считается положительным, если потенциал электрода сравнения меньше потенциала рабочего электрода. Ток между рабочим электродом и противоэлектродом считается положительным, если он течет от рабочего электрода на противоэлектрод, как указано на схемах соответствующими стрелками напряжения и тока. Вместе с тем, могут использоваться и другие условности.
В этом варианте ток между рабочим электродом и противоэлектродом преобразуется в пропорциональное напряжение преобразователем 1203 ток-напряжение в виде резистора R1, подключенного к противоэлектроду 103. Это напряжение подается в неинвертирующий усилитель 1201 на базе операционного усилителя и подается на первый аналоговый вход ADC-2 микроконтроллера 1200. Соответственно, противоэлектрод служит измерительным электродом.
Электрод 102 сравнения связан со вторым аналоговым входом ADC-1 микроконтроллера 1200 через повторитель 1202 напряжения. Повторитель 1202 напряжения служит преобразователем практически бесконечно большого входного импеданса (полного входного сопротивления) и обеспечивает соответствие напряжения на втором аналоговом входе напряжению на электроде 102 сравнения (измеренного относительно земли), но без протекания тока через электрод 102 сравнения. Ток течет только между рабочим электродом 101 и противоэлектродом 103.
Рабочий электрод 101 связан непосредственной гальванической связью с управляющим выходом DAC цифро-аналогового преобразователя микроконтроллера 1200. Соответственно, управляющим электродом служит рабочий электрод.
Микроконтроллер 1200 запрограммирован выдавать на управляющий выход управляющее напряжение - тем самым регулируя ток между рабочим электродом 101 и противоэлектродом 103 - так, чтобы напряжение между рабочим электродом 101 и электродом 102 сравнения соответствовало заданному напряжению поляризации. Обновление и выдача управляющего напряжения осуществляется периодически или практически непрерывно, например от 1 до 50 раз в секунду.
На схеме, приведенной на фиг. 4, как и на других схемах, описываемых ниже, источник напряжения, подключенный к соединителю Vref микроконтроллера 1200, выдает напряжение питания для источника внутреннего опорного напряжения микроконтроллера 1200, составляющего например 1,2 В.
Однако напряжение источника опорного напряжения не зависит от точного значения напряжения, подаваемого на соединитель Vref, которое соответственно не нужно стабилизировать. Поэтому соединитель Vref можно просто подключить к батарее 124, подавая на него напряжение Vcc батареи. Минимальное и максимальное напряжение, которое может преобразовываться аналого-цифровыми преобразователями и цифро-аналоговым преобразователем микроконтроллера 1200 определяется напряжением Vcc, как описано выше.
Ниже дополнительно рассматривается фиг. 5. На фиг. 5 показан еще один вариант выполнения схемы 120 цифрового потенциостата. В принципе, показанная на фиг. 5 схема подобна схеме, показанной на фиг. 4. Однако в схеме на фиг. 5 как измерительным электродом, так и управляющим электродом служит рабочий электрод 101, а противоэлектрод 103 гальванически связан с землей, что выгодно в отношении стабильности. В этом варианте осуществления изобретения рабочий электрод 101 соединен как с минусовым/инвертирующим входом дифференциального усилителя 1204 на базе операционного усилителя, так и с третьим аналоговым входом ADC-3 третьего аналого-цифрового преобразователя. Плюсовой/неинвертирующий вход дифференциального усилителя 1204 связан с управляющим выходом DAC, а выход дифференциального усилителя 1204 связан с первым аналоговым входом ADC-2. Резистор R1 задает входной импеданс (импеданс между плюсовым/неинвертирующим и минусовым/инвертирующим входами), а резистор Rgain задает коэффициент усиления дифференциального усилителя 1204. В этом варианте осуществления изобретения третий аналоговый вход и третий аналого-цифровой преобразователь необходимы для компенсации падения напряжения на входном импедансе R1.
Ниже дополнительно рассматривается фиг. 6. На фиг. 6 показан еще один вариант выполнения схемы 120 цифрового потенциостата. В этом варианте осуществления изобретения управляющим электродом служит противоэлектрод 103, который непосредственно связан с управляющим выходом DAC. Измерительным электродом служит рабочий электрод 101, который соединен с первым аналоговым входом ADC-2 через последовательно соединенные (инвертирующий) преобразователь 1203 ток-напряжение и инвертирующий усилитель 1205 на базе операционного усилителя. В этом примере преобразователь 1203 ток-напряжение также построен на базе операционного усилителя.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 6, предусмотрен еще один внешний источник 124а опорного напряжения 2,5 В, подключенный к неинвертирующим входам операционных усилителей преобразователя 1203 ток-напряжение и инвертирующего усилителя 1205. В этом примере преобразователь 1203 ток-напряжение имеет выходное напряжение 2,5 В (опорное напряжение, выдаваемое внешним источником 124 опорного напряжения) и Vcc, а инвертирующий усилитель 1205 выдает выходное напряжение 0…2,5 В. Кроме того, в рассматриваемом примере соединитель Vref микроконтроллера 1200 связан с внешним источником 124а опорного напряжения, что, однако, не существенно.
Ниже дополнительно рассматривается фиг. 7. На фиг. 7 показан еще один вариант выполнения схемы 120 цифрового потенциостата. Как и в варианте, показанном на фиг. 4, управляющим электродом служит рабочий электрод 101, а измерительным электродом служит противоэлектрод 103. Однако в отличие от варианта, показанного на фиг. 4, противоэлектрод 103 / измерительный электрод связан с первым аналоговым входом ADC-2 через дифференциальный усилитель 1204.
Ниже дополнительно рассматривается фиг. 8. На фиг. 8 показан еще один вариант выполнения схемы 120 цифрового потенциостата. В большинстве аспектов вариант, показанный на фиг. 8, подобен варианту, показанному на фиг. 7. Однако в этом варианте имеется дополнительная резистивно-емкостная (RC) цепь 1206, которая служит сдвигающим потенциал звеном и сдвигает потенциал противоэлектрода 103. Сдвиг потенциала противоэлектрода может быть выгоден для того, чтобы обеспечивать возможность обнаружения отрицательного тока и/или компенсировать смещение операционного усилителя в неинвертирующем усилителе 1201. Третий аналоговый вход ADC-3 микроконтроллера 1200 используется в этом варианте для измерения сдвига потенциала.
Ниже дополнительно рассматривается фиг. 9. На фиг. 9 показан еще один вариант выполнения схемы 120 цифрового потенциостата. В большинстве аспектов вариант, показанный на фиг. 9, подобен варианту, показанному на фиг. 8. Однако противоэлектрод 103 связан с первым аналоговым входом ADC-2 не через неинвертирующий усилитель 1201, а через дифференциальный усилитель 1204. Противоэлектрод 103 связан с плюсовым/неинвертирующим входом, а напряжение сдвига, определяемое резистивно-емкостной цепью 1206, подается на минусовой/инвертирующий вход дифференциального усилителя 1204. В отличие от показанного на фиг. 8 варианта, в варианте, показанном на фиг. 9, третий аналоговый вход не требуется.
Ниже дополнительно рассматривается фиг. 10. На фиг. 10 показан еще один вариант выполнения схемы 120 цифрового потенциостата. Вариант, показанный на фиг. 10, выполнен с расчетом на положительное напряжение поляризации и отрицательный ток между рабочим электродом 101 и противоэлектродом 103 и для этой конфигурации в нем требуется особенно малое число компонентов. В показанном на фиг. 10 варианте противоэлектрод 103 связан с аналоговым выходом ЦАП и соответственно служит управляющим электродом. Измерительным электродом служит рабочий электрод 101, который связан с первым аналоговым входом ADC-2 через преобразователь 1203 ток-напряжение на базе операционного усилителя, к плюсовому/неинвертирующему входу которого подведено напряжение питания. В качестве альтернативы преобразователю 1203 ток-напряжение, для измерения тока может использоваться дифференциальный усилитель. В других вариантах рабочий электрод 101 служит управляющим электродом, измерение тока выполняется на противоэлектроде 103, а измерительным электродом служит либо рабочий электрод 101, либо противоэлектрод 103.
Ниже дополнительно рассматривается фиг. 11. На фиг. 11 показан еще один вариант выполнения схемы 120 цифрового потенциостата. Вариант, показанный на фиг. 11, выполнен с расчетом на отрицательное напряжение поляризации и положительный ток между рабочим электродом 101 и противоэлектродом 103 и для этой конфигурации в нем требуется особенно малое число компонентов. Показанный на фиг. 11 вариант подобен варианту, показанному на фиг. 10. Единственное различие состоит в том, что плюсовой/неинвертирующий вход операционного усилителя связан не с напряжением питания, а с землей.
В одном варианте рабочий электрод 101 служит управляющим электродом, а ток измеряется посредством преобразователя напряжение-ток на противоэлектроде, который соответственно служит измерительным электродом.
Ниже дополнительно рассматривается фиг. 12. На фиг. 12 показан еще один вариант выполнения схемы 120 цифрового потенциостата. Вариант, показанный на фиг. 12, выполнен с расчетом на отрицательное напряжение поляризации и отрицательный ток между рабочим электродом 101 и противоэлектродом 103 и для этой конфигурации в нем требуется особенно малое число компонентов. Показанный на фиг.12 вариант подобен варианту, показанному на фиг.4. Единственное различие состоит в том, что роли управляющего электрода и измерительного электрода изменены на противоположные. В варианте, показанном на фиг. 4, измерительным электродом служит противоэлектрод 103, связанный с первым аналоговым входом ADC-2 через неинвертирующий усилитель 1201. В варианте же, показанном на фиг. 12, измерительным электродом служит рабочий электрод 101, связанный с первым аналоговым входом ADC-2 через неинвертирующий усилитель 1201. Аналогично, в варианте, показанном на фиг. 4, управляющим электродом служит рабочий электрод 101, непосредственно связанный с управляющим выходом DAC. В варианте же, показанном на фиг. 12, управляющим электродом служит противоэлектрод 103, непосредственно связанный с управляющим выходом DAC.
В одном варианте ток измеряется при помощи дифференциального усилителя либо на рабочем электроде 101, либо на противоэлектроде 103. В другом варианте рабочий электрод 101 служит управляющим электродом, и ток измеряется на рабочем электроде 101 или противоэлектроде 103 при помощи дифференциального усилителя.
Как упомянуто выше в описанных выше вариантах осуществления изобретения при реализации связи между управляющим выходом и управляющим электродом для уменьшения энергопотребления может использоваться узел выборки и хранения, предпочтительно - пассивный.