DE9422380U1 - Biosensor-Meßgerät mit Fehlerschutzprozeduren zur Vermeidung fehlerhafter Anzeigen - Google Patents

Description

EP 94 916 758.9

PCT/US 94/05323 = WO 94/29706

Deutsche Übersetzung = Gbm-Anmeldung (Abzweigung)

RD 4242/OG/DE

Biosensor-Meßgerät mit Fehlerschutzprozeduren
zur Vermeidung fehlerhafter Anzeigen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Biosensor-Meßgeräte, die
disposible Teststreifen verwenden, und insbesondere auf
Fehlerschutzsysteme und -prozeduren (fail/safe systems
and procedures), die verhindern sollen, daß Biosensor-Meßgeräte
fehlerhafte Ergebnisse anzeigen.

Hintergrund der Erfindung

Biosensor-Meßgeräte, die disposible Teststreifen verwenden, sind weit verbreitet. Sie werden eingesetzt, um die Konzentration verschiedener Analyten (beispielsweise Glucose und Cholesterin) im Blut zu ermitteln. Sofern der Benutzer die Gebrauchsanleitung für das jeweilige Meßgerät genau befolgt, sind die ermittelten Meßergebnisse in der Regel zuverlässig. Häufig beachtet der Benutzer jedoch nicht die erforderliche Sorgfalt bei der Verwendung des Teststreifens oder des Meßgeräts, woraus sich ein fehlerhafter Meßwert ergibt. Daher sind die Hersteller

• · ··· ··■■

von Meßgeräten sehr bemüht, das Fehlerpotential bei der Verwendung der Meßgeräte zu reduzieren.

Liegt allerdings ein Fabrikationsfehler bei einem Biosensor-Meßgerät oder bei den Teststreifen vor, so ergeben sich auch bei sachgemäßer Anwendung fehlerhafte Meßergebnisse. Obwohl große Sorgfalt auf die Herstellung solcher Meßgeräte und Teststreifen verwendet wird, besteht deshalb das Bedürfnis, analytische Prozeduren in das Meßgerät zu integrieren, die Fehlfunktionen des Meßgeräts, Unregelmäßigkeiten bei den Teststreifen und Bedienungsfehler ermitteln, um fehlerhafte Analysewerte zu vermeiden.

Aus dem Stand der Technik ist eine Anzahl von Beschreibungen von Biosensor-Meßgeräten bekannt, bei denen disposible Teststreifen verwendet werden. In dem US-Patent 5,108,564 (Szuminsky et al.) wird ein Biosensor-Meßgerät beschrieben, das zur Messung von Glucose-Konzentrationen im Blut dient. Das Gerät basiert auf einer Reaktion, bei der Glucose in der Gegenwart eines Enzyms eine Reaktion von Kaliumferricyanid zu Kaliumferrocyanid katalysiert. Nach Abschluß der Reaktion wird an eine Reaktionszone eine Spannung angelegt, die zu einer Umkehrung der Reaktion führt, wobei ein kleiner, aber meßbarer Stromfluß erzeugt wird. Dieser Strom wird als Cottrell-Strom bezeichnet. In Abhängigkeit von der Konzentration der Glucose in der Reaktionszone folgt er während der Rückreaktion einer vorbestimmten Kurve. Der Meßwert des Cottrell-Stroms wird in ein Maß für die Glucosekonzentration umgewandelt. Das Meßgerät mißt auch die Impedanz in der Reaktionszone und bestimmt, wann eine Blutprobe hineinplaziert wurde, indem es eine plötzliche Änderung des Stromflusses erfaßt. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Inkubationszeit, nach deren Ablauf ein Potential an die Reaktionszone angelegt und der Cottrell-Strom gemessen wird.

In der europäischen Patentanmeldung 0471986 A2 von Tsutsumi et al. ist ein Blutglucose-Meßsystem beschrieben, bei dem disposible Teststreifen verwendet werden. Dabei wird die Gegenwart einer Blutprobe dadurch festgestellt, daß der Widerstand zwischen einem Paar von Elektroden gemessen wird. Außerdem wird eine Mehrzahl von probenähnlichen Streifen verwendet, von denen jeder einen spezifizierten Widerstandswert hat, der ihn von anderen &iacgr;&ogr; Streifen unterscheidet. Jeder dieser Streifen hat einen bestimmten Anwendungszweck, d.h. er wird zur Justierung des Gerätes, zur Kompensation eines Meßfehlers, zur Kalibration usw. verwendet.

Das US-Patent 4,999,582 (Parks et al.), dessen Inhaber auch der Inhaber der vorliegenden Anmeldung ist, beschreibt eine Biosensorelektroden-Anregungsschaltung, die feststellt, ob ein Teststreifen sachgemäß in das Meßgerät eingesetzt wurde und für zumindest eine Elektrode auf dem Teststreifen feststellt, ob der Kontaktwiderstand akzeptabel ist.

In der US-Patentanmeldung 07/451,309 vom 15. Dezember 1989 (White) mit dem Titel "Biosensing Instrument and Method", deren Inhaber mit dem Inhaber der vorliegenden Anmeldung übereinstimmt, ist ein Biosensor-Meßgerät beschrieben, bei dem die "Cottrell"-Kurve verwendet wird, um die Glucosekonzentration zu ermitteln. Bei diesem Meßgerät ist der Stromfluß proportional zu der Konzentration eines Analyten in der Testzelle. Ist jedoch irgendetwas nicht in Ordnung mit der Testzelle, so ist es möglich, daß der resultierende Strom keinerlei Beziehung zu der Konzentration des Analyten hat. White zufolge gibt es eine Beziehung, mittels der bestimmt werden kann, ob der Stromfluß durch eine Reaktionszone tatsächlich der

Cottrell-Beziehung entspricht. Insbesondere hat sich herausgestellt, daß für die Meßkurven aller Analysekonzentrationen das Verhältnis der Quadratwurzeln von aufeinanderfolgenden Meßzeitpunkten annähernd reziprok zu dem Verhältnis der Cottrell-Strom-Meßwerte zu den gleichen Meßzeitpunkten ist. Wenn die Verhältnisse (innerhalb gewisser Grenzen) für mehrere aufeinanderfolgende Meßperioden übereinstimmen, folgt das Meßsystem der Cottrell-Beziehung. Stimmen die Verhältnisse nicht überein, wird &iacgr;&ogr; die Messung nicht berücksichtigt.

US-Patent 4,940,945 (Littlejohn et al.) beschreibt eine Schnittstellenschaltung zur Verwendung bei Biosensor-Meßgeräten. Dabei wird ein disposibles Element eingesetzt, das ein Elektrodenpaar einschließt, zwischen dem der Widerstand gemessen wird. Die Schaltung erfaßt die Gegenwart einer flüssigen Probe durch Messung des Anfangswiderstands und ermittelt auch die Flüssigkeitsmenge in dem Element.

In dem US-Patent 4,420,564 (Tsuji et al.) ist ein Blutzucker-Analysegerät beschrieben, bei dem eine Reaktionszelle verwendet wird, die einen Sensor mit einer fixierten Enzymmembran und eine Meßelektrode aufweist. Das Systern von Tsuji et al. verwendet eine Mehrzahl von Fehlerschutzprozeduren. Hierzu gehört die Feststellung, ob die Reaktion innerhalb spezifischer definierter Temperaturgrenzen stattfindet. Gemäß einer zweiten Prozedur wird bestimmt, ob ein Reaktionsstrom innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt.

Die in den obigen Literaturstellen genannten Biosensor-Meßgeräte können ermitteln, wann eine biologische Probe in der Reaktionszone plaziert wird. Dabei wird jedoch nicht das Problem erörtert, wie vorzugehen ist, wenn die

Menge der Probe nicht ausreicht, um die in einer Reaktionszone befindlichen enzymatisehen Reaktanten vollständig zu benetzen. Es kann zwar ein Test durchgeführt werden, um zu bestimmen, ob eine Reaktion der Cottrell-Beziehung folgt (wie beispielsweise in der obengenannten Patentanmeldung von White beschrieben ist). Es wäre jedoch wünschenswert, wenn zusätzlich zu diesem Test auch noch bestätigende Tests durchgeführt werden können, um sicherzustellen, daß die Reaktion tatsächlich der Cottrell-Beziehung folgt.

Deshalb besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Biosensor-Meßgerät bereitzustellen, das Mittel aufweist, um eine Mehrzahl von Fehlerschutztests während der Analyse einer biologischen Probe durchzuführen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Biosensor-Meßgerät mit Mitteln zur Verfügung zu stellen, die feststellen können, ob eine angemessene Menge der Probe auf die Reaktionszone des Teststreifens aufgegeben wurde.

Schließlich besteht eine Aufgabe der Erfindung auch darin, Mittel zur Verfügung zu stellen, die feststellen können, ob eine biologische Probe während des Reaktionsverlaufs gemäß der Cottrell-Beziehung reagiert, und die, wenn dies nicht der Fall ist, bewirken, daß die resultierenden Meßwerte unberücksichtigt bleiben.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Biosensor-Meßgerät nimmt einen Teststreifen auf, der eine elektrisch isolierte Meßelektrode und Anregungselektrode sowie eine diese verbindende Reaktionszone auf-

weist. Nachdem ein Tropfen einer biologischen Probenflüssigkeit in der Reaktionszone plaziert ist, wird eine Mehrzahl von Fehlerschutztests durchgeführt. Mittels einer elektrischen Schaltung wird ein Tropfenmenge-Test durchgeführt, bei dem die Menge des in der Reaktionszone plazierten Tropfens ermittelt wird. Die Schaltung ermittelt, ob ein Tropfen in der Reaktionszone plaziert wurde. Nach einer Verzögerungszeit mißt sie auch den Wert eines Teststroms, um festzustellen, ob die Menge des Tropfens für die Hydratation der Reaktanten in der Reaktionszone ausreicht. Im weiteren Verlauf wird während der Reaktion zu aufeinanderfolgenden Meßzeitpunkten die Delta-Änderung des Stroms gemessen. Bei diesem Test wird die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Strommeßwerten während einer Meßperiode ermittelt. Falls der jeweils nachfolgende Meßwert nicht weniger als einen Delta-Wert unter dem vorhergehenden Meßwert liegt, wird festgestellt, daß der Strom nicht monoton abnimmt, woraufhin der Test abgebrochen wird. Nach Ablauf der Meßzeit wird ein Test durchgeführt, bei dem die Summe der Strommeßwerte ermittelt wird, wobei ein Prozessor die lineare Summe aller Strommeßwerte des Tests und das Verhältnis zwischen dieser Summe und dem letzten Strommeßwert berechnet. Entspricht das Verhältnis einer vorher bestimmten Konstanten für die Cottrell-Beziehung, so ist gesichert, daß die Meßwerte der Cottrell-Beziehung folgen.

Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt eine Draufsicht eines Teststreifens; Figur 2 zeigt ein Schaltbild/Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Biosensor-Meßgeräts;

Figur 3 zeigt ein Kurvendiagramm sowohl von der an eine Anregungselektrode des Teststreifens nach Figur

• ·

1 angelegten Anregungsspannung als auch des resultierenden Meßstroms, der an einer Meßelektrode des Teststreifens gemessen wird; Figur 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Kurvenform des Meßstroms, die am Anfang der Detektion ei

nes Tropfens eines Analyten entsteht;

Figur 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Mehrzahl von während der Meßperiode ermittelten Strommeßwerten, die einer vorbekannten Cottrell-Beziehung folgen.

Figuren 6 und 7 zeigen Flußdiagramme auf hoher Abstraktionsebene zur Darstellung der von der elektrischen Schaltung gemäß Figur 2 durchgeführten Fehlerschutztests durch Bestimmung der Menge des Tropfens, des Deltas und der Summe der

Strommeßwerte.

Detaillierte Beschreibung der Figuren

Der in Figur 1 dargestellte Teststreifen 10 hat zwei Elektroden, nämlich eine Meßelektrode 12 und eine Anregungselektrode 14. Diese Elektroden sind auf einer Polymerschicht 16 fixiert. Über ihnen befindet sich eine Deckschicht 18 mit Öffnungen 20 und 21, durch die Teile der Elektroden 12 und 14 zugänglich sind. Die Öffnung bildet eine Probenaufnahme und definiert eine Reaktionszone zwischen der Meßelektrode 12 und der Anregungselektrode 14. Eine (nicht dargestellte) Schicht enzymatischer Reaktanten liegt über den Elektroden 12 und 14 in der Öffnung 2 0 und bildet ein Substrat zur Aufnahme einer den Analyten enthaltenden Flüssigkeit. Bei diesem Beispiel wird davon ausgegangen, daß die Probe, die den Analyten enthält, ein Bluttropfen ist, in dem der Glucosegehalt bestimmt werden soll. Die Öffnung 21 legt die Elektroden

12 und 14 frei, so daß eine elektrische Verbindung hergestellt werden kann, wenn der Teststreifen 10 in ein Biosensor-Meßgerät eingesetzt wird.

Das in Figur 2 schematisch dargestellte Biosensor-Meßgerät 22 weist ein (nicht dargestelltes) Fenster auf zur Aufnahme des Teststreifens 10 und zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anregungselektrode 14 und einem Paar von Anschlußkontakten A und B sowie zwischen der Meßelektrode 12 und einem Paar von Anschlußkontakten C und D. Die Anregungselektrode 14 stellt, sofern sie kontinuierlich und richtig eingesetzt ist, eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlußkontakten A und B her. Ebenso bildet die Meßelektrode 12, wenn der Teststreifen 10 richtig eingesetzt ist, einen Kurzschluß zwischen den Anschlußkontakten C und D. Die Anschlußkontakte A, B, C und D sind innerhalb des Biosensor-Meßgeräts 22 beabstandet voneinander angeordnet. Dadurch ist es möglich festzustellen, ob ein Teststreifen 10 richtig in das Biosensor-Meßgerät 22 eingesetzt wurde und dessen Elektroden richtige Impedanzwerte anzeigen. Sobald angezeigt wird, daß ein Teststreifen (mit einer geeigneten Anregungselektrode und Meßelektrode) richtig eingesetzt wurde, kann ein Bluttropfen auf die Probenaufnähme des Teststreifens 10 aufgegeben werden, woraufhin Messungen durchgeführt werden können.

Das AnregungsspannungsquelIe V_e einer Anregungsspannungsquelle 23 wird über den Operationsverstärker 24 und den Anschlußkontakt A an die Anregungselektrode 14 angelegt. Von dem Anschlußkontakt B wird über die Leitung 2 6 ein zweites Eingangssignal zu dem Operationsverstärker 24 geleitet . Dieses Eingangssignal wird auch an einen Analog/Digital -Wandler (A/D-Wandler) 28 geleitet, dessen digitalisiertes Ausgangssignal seinerseits an einen Bus 30

angelegt ist. Auf der Meßseite des Biosensor-Meßgeräts 22 ist der Anschlußkontakt C mit dem einem Eingang des Operationsverstärkers 32 verbunden. Der zweite Eingang des Operationsverstärkers 32 ist mit einem Referenzpotential verbunden. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 32 wird über einen A/D-Wandler 34 an den Bus 30 geleitet.

Der Anschlußkontakt D ist über einen Stromleiter 3 6 und einen Multiplexschalter 38 mit einem A/D-Wandler 40 verbunden, dessen Ausgangssignal seinerseits an dem Bus 30 anliegt. Eine Versorgungsspannung V ist über einen Widerstand mit einem Eingang des A/D-Wandlers 40 verbunden. Beim erstmaligen Einschalten des Biosensor-Meßgeräts 22 ist der Schalter 38 geschlossen, um die Prüfung, ob die Meßelektrode 12 richtig eingesetzt wurde, zu ermöglichen. Sobald dies festgestellt ist, wird Schalter 38 geöffnet, wodurch das Eingangssignal an den A/D-Wandler 4 0 unterbrochen wird.

Ein Mikroprozessor 42 und ein zugehöriges Display 44 sind mit Bus 3 0 verbunden und steuern den gesamten Betrieb des Biosensor-Meßgeräts 22. Der Mikroprozessor 42 steuert über eine Leitung 46 auch die Anregungsspannung, die von der Anregungsspannungsquelle 2 3 über den Operationsverstärker 24 an den Anschlußkontakt A geleitet wird. Ein einsteckbarer ROM-Speicherbaustein 48 kann an den Bus 30 angeschlossen werden. Er ermöglicht die Eingabe von Konstanten und anderen Testparametern für eine Gruppe von Teststreifen 10.

In der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung Nr.

von White et al. mit dem Titel "Biosensing Meter with Disposable Sample Strips and Check Strips for Meter Quality Determinations" (Biosensor-Meßgerät mit disposiblen Teststreifen und Kontrollstreifen zur Überprüfung

der Qualität des Biosensor-Meßgeräts), eingereicht am
gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung (Aktenzeichen
des Anwalts 058-924262 NA), wird detailliert beschrieben, wie das Biosensor-Meßgerät 22 das richtige Einsetzen des
Teststreifens 10 und die kontinuierliche Verbindung der
Anregungslektrode 14 und der Meßelektrode 12 überprüft.
Der Inhalt dieser Patentanmeldung von White et al. wird
durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung
gemacht.

Die Feststellung des Mikroprozessors 42, daß ein Teststreifen richtig eingesetzt wurde und die Meßelektrode 12 und die Anregungselektrode 14 die erforderliche kontinutierliche Verbindung haben, bewirkt, daß die Anregungs-Spannungsquelle 23 ein Anregungspotential V_e an den Operationsverstärker 24 und somit an den Anschlußkontakt A leitet. Der Verlauf des Anregungspotentials V_e ist in Figur 3 als Kurve 60 dargestellt. Zunächst wird ein hoher Potentialwert 62 an die Anregungselektrode 14 angelegt und der Leckstrom zwischen der Anregungselektrode 14 und der Meßelektrode 12 gemessen. Liegt der Leckstrom in einem akzeptablen Bereich, so zeigt der Mikroprozessor 42 (auf dem Display 44) an, daß der Benutzer einen Bluttropfen auf die Probenaufnahme 2 0 aufgeben kann. Beim Aufgeben des Bluttropfens wird eine sofortige Abnahme des Widerstands (d.h. eine Zunahme des Stroms) zwischen den Elektroden 12 und 14 gemessen. Das daraus resultierende Ausgangssignal des Operationsverstärkers 32 ist als Impuls 64 der Signalkurve 66 dargestellt. Figur 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Impulses 64.

Wenn der Impuls 64 einen ersten Grenzwert 68 überschreitet,
stellt der Mikroprozessor 42 fest, daß ein Bluttropfen detektiert wurde. Der Grenzwert 68 ist niedrig festgelegt,
um schnell ermitteln zu können, daß eine Blutpro-

be auf den Teststreifen 10 aufgegeben wurde, und dabei eine klare Feststellung zu treffen, daß eine Inkubationszeit begonnen hat. Beim Überschreiten des Grenzwerts 68 durch den Impuls 64 startet der Mikroprozessor 42 eine Verzögerungszeit d, an deren Ende (zum Zeitpunkt 70) eine zweite Messung der Kurve 64 durchgeführt wird. Die Verzogerungszeit d ist darauf abgestimmt, daß der Bluttropfen den gesamten Bereich der Probenaufnahme 20 benetzen kann. Wenn der zu dem Zeitpunkt 7 0 ermittelte Strommeßwert unterhalb eines Probenmenge-Grenzwerts 72 liegt, wird der Test abgebrochen, da dann die Menge des Bluttropfens nicht ausreicht, um eine vollständige Hydratation der enzymatischen Reaktanten innerhalb der Probenaufnahme 20 sicherzustellen. Überschreitet die Spannung (der Strom) zum Zeitpunkt 70 jedoch den Grenzwert 72 für die Probenmenge, so wird der Test fortgesetzt.

Kurz danach bewirkt der Mikroprozessor 42, daß das Anregungspotential V_e der Anregungsspannungsquelle 23 von dem Anschlußkontakt A getrennt wird (Kurvenabschnitt 74 in Figur 3). Der Kurvenabschnitt 74 stellt die Inkubationszeit dar. Sie erstreckt sich über eine ausreichend lange Zeitspanne, daß eine enzymatische Reaktion zwischen dem Bluttropfen und den Enzymen in der Probenaufnahme 2 0 erfolgen kann.

Nach Ablauf der Inkubationszeit wird erneut ein Anregungspotential V_e (Kurvenabschnitt 76 in Figur 3) an den Anschlußkontakt A angelegt, wodurch eine Rückreaktion in der Probenaufnahme 20 ausgelöst wird. Der resultierende Strom (Kurvenabschnitt 78) wird mittels der Meßelektrode 12 gemessen. Figur 5, in der die Kurve 7 8 vergrößert dargestellt ist, zeigt eine klassische Cottrell-Beziehung, wie sie von dem Stromfluß während der obengenannten Rückreaktion durchlaufen wird. In Figur 5 ist der Meßstrom

• &phgr; ·

gegen die verstrichene Zeit aufgetragen. Wie der Fachwelt bekannt ist, verschiebt sich die Kurve 78 in Abhängigkeit von der Glucosekonzentration entweder nach oben oder nach unten. Während des Kurvenabschnitts 78 zeichnet der Mikroprozessor 42 eine Mehrzahl von Strommeßwerten auf, die jeweils mit einem bestimmten zeitlichen Abstand k gemessen werden. Diese Messungen ermöglichen eine Glucosebestimmung und werden auch benutzt, um sicherzustellen, daß der Kurvenabschnitt 78 der Cottrell-Beziehung folgt.

Geht man davon aus, daß die Glucosekonzentration zu ermitteln ist, enthält die Probenaufnahme 20 folgende Reaktanten: ein Enzym, einen Elektrolyten, einen Mediator, einen Filmbildner und einen Puffer. Das Enzym kann beispielsweise Glucoseoxidase (oder Glucosedehydrogenase) sein,- der Puffer kann organisch oder anorganisch sein; der Elektrolyt kann Kaliumchlorid oder Natriumchlorid sein; der Mediator ist vorzugsweise Kaliumferricyanid und als Filmbildner kommen Gelatine und Propiofin in Betracht. Falls der Teststreifen zur Bestimmung der Konzentration von Cholesterin dienen soll, ist das Enzym vorzugsweise Cholesterinoxidase mit oder ohne Zusatz einer Cholesterinesterase. Der Puffer ist vorzugsweise anorganisch und enthält einen Elektrolyten wie beispielsweise Kaliumchlorid oder Natriumchlorid. In diesem Fall kommen zwei Mediatoren zur Anwendung, nämlich Ferricyanid und Chinone, die, wie zuvor erwähnt, in einen Gelatinefilm integriert werden.

Da die bei einem solchen System verwendete Chemie in der Fachwelt bekannt ist, wird sie hier nicht im einzelnen beschrieben. Es genügt zu erwähnen, daß eine Glucosebestimmung durchgeführt wird, indem man zuerst eine Blutprobe in der Probenaufnahme 2 0 plaziert. Die in der Probe enthaltene Glucose verursacht eine Vorwärtsreaktion von

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Kaliumferricyanid zu Kaliumferrocyanid. Innerhalb einer Inkubationszeit läuft die Vorwärtsreaktion vollständig ab. Das nachfolgende Anlegen einer Spannung (Kurvenabschnitt 76) an die Anregungselektrode 14 führt dazu, daß durch die Meßelektrode 12 ein kleiner Strom fließt, der aus der Rückreaktion von Kaliumferrocyanid zu Kaliumferricyanid resultiert. Der Elektronenstrom während der Rückreaktion (Kurvenabschnitt 78) wird erfaßt und gemessen.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 6 und 7 wird im folgenden die Betriebsweise des in Figur 2 abgebildeten Meßgeräts beschrieben. Zunächst (Figur 6) detektiert der Mikroprozessor 42 durch Messung des elektrischen Kurz-Schlusses der Anschlußkontakte A und B und der Anschlußkontakte C und D (Entscheidungssymbol 100), ob ein Teststreifen 10 eingesetzt wurde. Die Routine wird wiederholt, bis der Mikroprozessor 42 die Anwesenheit eines Teststreifens 10 detektiert. Nachdem er die Anwesenheit eines Teststreifens 10 erfaßt und festgestellt hat, daß der Kontaktwiderstand zwischen den Anschlußkontakten A, B und C, D jeweils innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt, bewirkt der Mikroprozessor 42, daß die Anregungsspannungsquelle 23 einen Anregungspotentialwert 62 (Figur

3) an die Anregungselektrode 14 anlegt. Dieser Schritt erfolgt, bevor eine Probe auf den Teststreifen 10 aufgegeben wird, und ermöglicht die Messung des Leckstroms (sofern vorhanden) zwischen der Elektrode 12 und der Elektrode 14. Gleichzeitig ruft der Mikroprozessor 42 einen Leckstrom-Grenzwert (I_n^_x) aus dem ROM-Speicherbaustein 48 ab und vergleicht diesen Wert mit einem Leckstrom-Meßwert i, der von dem A/D-Wandler 34 (Felder 102 und 104) geliefert wird. Wenn der Leckstrom i kleiner als der Leckstrom-Grenzwert (i_max) ist und somit innerhalb ak-

zeptabler Grenzen liegt, wird die Prozedur fortgesetzt. Andernfalls wird der Teststreifen abgelehnt.

Zu diesem Zeitpunkt geht der Mikroprozessor 42 in einen "Tropfendetektions-Status" über, in dem bestimmt wird, wann ein Bluttropfen auf die Probenaufnahme 2 0 gegeben wurde und ob die Menge des Bluttropfens ausreicht, um die darin befindlichen enzymatischen Reaktanten vollständig zu benetzen. Zunächst ruft der Mikroprozessor 42 zwei

&iacgr;&ogr; Konstanten, nämlich einen Tropfendetektions-Grenzwert und einen Probenmenge-Grenzwert 72, aus dem ROM-Speicherbaustein 48 ab. Danach addiert der Mikroprozessor 42 den Leckstrom-Meßwert i zu dem Tropfendetektions-Grenzwert, um den in Figur 4 angegebenen Tropfendetektions-Grenzwert 68 zu ermitteln (Feld 106). Schließlich bewirkt der Mikroprozessor 42, daß dem Benutzer auf dem Display 44 angezeigt wird, daß die Probe auf den Teststreifen aufgegeben werden kann.

Der Mikroprozessor geht nun in einen Wartestatus über (wobei der Anregungspotentialwert 62 weiterhin an der Anregungselektrode 14 anliegt). Wenn ein Bluttropfen auf die Probenaufnahme 2 0 aufgegeben wird, wird eine Zunahme des Stroms gemessen (Impuls 64 in Figur 4); wenn der Strommeßwert den Grenzwert 68 übersteigt, wird angezeigt, daß ein Bluttropfen detektiert wurde (Entscheidungssymbol 108). Nun beginnt eine Inkubationszeit, die beispielsweise neun Sekunden dauern kann. Gleichzeitig beginnt die für die Feststellung der Probenmenge eingestellte Verzögerungszeit d, an deren Ende eine zweite Messung des Impulses 64 erfolgt (Feld 110). Übersteigt der ermittelte Strommeßwert den Probenmenge-Grenzwert 72, so ist gesichert, daß in der Probenaufnahme 2 0 ausreichend Blut vorhanden ist, um die darin positionierten enzymatischen Reaktanten zu hydratisieren (Entscheidungssymbol 112). Ist

IM

• ■· · »

nicht genügend Blut vorhanden, so wird ein Fehler angezeigt. Ist genügend Blut vorhanden, so wird die Prozedur fortgesetzt, wobei der Mikroprozessor 42 bewirkt, daß das Anregungspotential V_e von dem Anschlußkontakt A (Feld 114) abgenommen wird.

Nach Ablauf der Inkubationszeit bewirkt der Mikroprozessor 42, daß die Anregungsspannungsquelle 23 das Anregungspotential (Kurvenabschnitt 76 in Figur 3) an den Anschlußkontakt A anlegt (Feld 116). Das Anlegen des V_e-Werts 76 bewirkt eine Umkehrung der obengenannten enzymatischen Reaktion und führt dazu, daß ein Stromfluß (wiedergegeben durch die Kurve 78 in Figur 3) zwischen der Anregungselektrode 14 und der Meßelektrode 12 erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt beginnt eine Meßperiode, wobei, wie in Figur 5 gezeigt, mehrere Strommessungen 82, 84, 86 usw. (bis Messung 88) durchgeführt und die ermittelten Strommeßwerte gespeichert werden (siehe Figur 5 und Feld 118, Figur 7). Jeder Meßwert wird nach einem durch k bestimmten Zeitintervall ermittelt. In Figur 5 sind vierzehn solcher Zeitintervalle abgebildet, wobei bis zum Ende des zweiten Intervalls keine Messungen durchgeführt werden, um zu vermeiden, daß die ermittelten Strommeßwerte einen maximalen Stromwert überschreiten.

Während der Zeit, in der die Strommeßwerte 82, 84, 86 usw. ermittelt werden, wird nach der zweiten Strommessung und dann nach jeder weiteren Strommessung eine "Delta"-Fehlerschutzberechnung durchgeführt (Feld 120). Sie be-0 ruht im Kern auf der Tatsache, daß die Kurve 78, sofern sie sich wie eine Cottrell-Kurve verhält, monoton abnimmt, und daß jeder nachfolgende Strommeßwert einen vorhergehenden Strommeßwert um mindestens einen vorbestimmten Delta-Fehlerschutz-Grenzwert unterschreitet. Dieser

Grenzwert wird von dem Mikroprozessor 4 2 aus dem ROM-Speicherbaustein 4 8 übernommen.

Wie in Feld 12 0 angegeben, bestimmt der Mikroprozessor 42 ob jeder nachfolgende Strommeßwert i_k kleiner als oder gleich einem vorhergehenden Strommeßwert (I₁^₁) plus dem Delta-Fehlerschutz-Grenzwert ist. Wenn festgestellt wird, daß ein vorhergehender Strommeßwert diese Bedingung nicht erfüllt, weil die Meßkurve des Stroms nicht das erwartete

&iacgr;&ogr; monotone Verhalten aufweist, wird dem Benutzer (auf dem Display 44) angezeigt, daß der Vorgang abgebrochen wird. Der Test wird für jeden nachfolgenden Strommeßwert einschließlich des letzten Strommeßwerts 88 wiederholt. Bis dahin wird die Prozedur fortgesetzt (Entscheidungssymbol

124) .

Sobald der Strommeßwert 88 ermittelt ist, geht die Prozedur zu einer "Stromsumme"-Fehlerschutzprozedur über. Durch diese Fehlerschutzprozedur mit Berechnung der Summe der Strommeßwerte wird erneut das Cottrell-Verhalten während der Meßzeit überprüft. Wenn der letzte Strommeßwert 88 ermittelt ist, wird dieser mit zwei Konstanten (d.h. Werten) multipliziert, die der Mikroprozessor 42 aus dem ROM-Speicherbaustein 48 übernimmt. Die Ergebnisse dieser Multiplikation werden als zwei Grenzwerte benutzt, denen die Summe aller ermittelten Strommeßwerte 82, 84, 86 usw. gegenübergestellt wird. Liegt die Summe zwischen den beiden Grenzwerten, so kann daraus geschlossen werden, daß die Kurve 78 der Cottrell-Beziehung folgt. Diese Schritte sind in den Feldern 122, 124, 126 und 128 in Figur 7 veranschaulicht . Die Summe der Strommeßwerte I_Summe errechnet sich, wie aus Feld 122 ersichtlich, wie folgt

•'-Summe ~" / , &khgr;-&igr;

k = l

wobei i_k einer der m Strommeßwerte ist.

Anschließend wird, wie in Feld 128 dargestellt, bestimmt, ob I_Summe zwischen dem oberen und dem unteren Grenzwert liegt

im Ku > ¹Su₁TOe > im ^Kl

&iacgr;&ogr; wobei: K₁ = untere Grenzwertkonstante,

K₁₁ = obere Grenzwertkonstante, und i_m = letzter Strommeßwert.

Wenn die in Feld 128 angegebene Bedingung nicht erfüllt ist, zeigt ein Signal den Abbruch des Vorgangs an. Ist die Bedingung jedoch erfüllt, so wird die Glucosekonzentration berechnet (Feld 13 0) und dem Benutzer auf dem Display angezeigt.

Die Grundlage für die Fehlerschutzprozedur mit Ermittlung der Summe der Strommeßwerte ergibt sich aus der folgenden Bewe i s führung.

Man betrachte zunächst das Verhältnis r

&Sgr; i

r = £=±— (A)

im

aller ermittelten Strommeßwerte zu dem zuletzt ermittelten Strommeßwert.

Es ist zu beweisen, daß für jede Stromkurve, die ein Cottrell-Verhalten aufweist, das Verhältnis den gleichen Wert r_Cottrell hat, und zwar unabhängig von irgendwelchen Einflußfaktoren (einschließlich der Glucosekonzentration) .

Das charakteristische Cottrell-Verhalten läßt sich durch Gleichung (B) beschreiben:

_/4_, nFAVÖ ^₁ , ,

lcottrell (t) = ~!=-r^ ^C (^B)

wobei: &eegr; = Anzahl der Elektronen, die pro Glucose-

molekül freigesetzt werden

F = Faraday-Konstante

A= Oberfläche der Arbeitselektrode

t = Zeit seit Anlegen des Anregungspotentials

D = Diffusionskoeffizient

C = Glucosekonzentration

Von den obengenannten Parametern sind &eegr; und F Konstanten. A wird durch das Design des Teststreifens bestimmt. D und C, die von Kurve zu Kurve variieren können, bleiben für einen bestimmten Test während der Messung der Stromkurve konstant. Somit sind außer der Zeit t alle Parameter in Gleichung (B) für eine bestimmte Stromkurve konstant.

Wenn man die Strommeßwer te i_k in Gleichung (A) durch ihre Cottrell-Darstellung in Gleichung (B) ersetzt, ergibt sich folgende Formel:

nFAyfÖ

Durch Kürzen der Konstanten im Nenner und Zähler kann Gleichung (C) wie folgt geschrieben werden:

&Sgr;4

t_m

Aus Gleichung (D) kann folgende Schlußfolgerung abgeleitet werden: Wenn eine Kurve ein Cottrell-Verhalten aufweist, muß das Verhältnis r in Gleichung (A), das anhand der Strommeßwerte dieser Kurve berechnet wurde, dem Verhältnis r_Cottrell entsprechen. Oder umgekehrt: Wenn eine Kurve kein Cottrell-Verhalten aufweist, ist das entsprechende Verhältnis r in Gleichung (A) von r_Cottrell verschieden.

Das Cottrell-Modell B ist, obwohl es sehr genau ist, dennoch ein Modell. Daher kann sich in der Praxis eine geringfügige Differenz zwischen r und r_Cottrell für eine Kurve mit Cottrell-Verhalten ergeben. Um dieser Differenz Rechnung zu tragen, wird das berechnete Verhältnis r nicht auf der Basis einer exakten Übereinstimmung mit r_Cottrell überprüft, sondern mit einem oberen Grenzwert r_CotCrell + ^£u'^rcottreii ^und einem unteren Grenzwert r_Cottre·,.!^! · r_Cottrell verglichen, wobei 8_U und E₁ kleine Zahlen sind.

Die folgende Ungleichung

■^Cottrell ^{+ £}u ^Cottrell > ^ > ^rcottrell ~ ^l ^c

entspricht dem folgenden Vergleich

*¹m^> 2—1 ^lk> ' ^rCottrell ~ ^l^cottrell'

k = l

Durch Verwendung von

wird Ungleichung (E) zu Ungleichung (F) umgeschrieben

m
K₁₁ > £i_k > K₁ (F)

k=l

die als Fehlerschutztest eingesetzt wird (Figur 7, Feld 128) .

Es dürfte klar sein, daß die vorausgehende Beschreibung nur ein Beispiel der Erfindung betrifft. Dem Fachmann sind zahlreiche Alternativen und Modifikationen zugänglich, ohne von der Erfindung abzuweichen. Demzufolge richtet sich die Erfindung auf alle Alternativen, Modifikationen und Varianten, die im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims (10)

1. Biosensor-Meßgerät zur Aufnahme eines Teststreifens, welcher elektrisch isolierte Anregungs- und Meßelektroden sowie eine diese verbindende Probenzone aufweist, in der ein Analyse-Reaktant enthalten ist, umfassend:
eine Anregungsspannungs-Versorgungseinrichtung, um ein Anregungsspannungsquelle an die Anregungselektrode anzulegen;
einen mit der Meßelektrode verbundenen Meßverstärker, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, wenn eine Menge einer biologischen Flüssigkeit in der Probenaufnahme plaziert wurde und einen Strompfad zwischen der Anregungs- und der Meßelektrode erzeugt;
eine mit dem Meßverstärker verbundene Prozessoreinrichtung, um zuerst zu testen, ob das Ausgangssignal einen ersten Grenzwert übersteigt, und um als zweites zu testen, ob das Ausgangssignal danach einen zweiten höheren Grenzwert übersteigt, wobei ein Ausgangssignal, das den ersten Grenzwert übersteigt, als Indikator für das Vorhandensein der Probenmenge in der Probenaufnahme dient, ein Ausgangssignal, das den zweiten höheren Grenzwert übersteigt, als Indikator dafür dient, daß die Menge ausreicht, um anschließend eine analytische Bestimmung an der biologischen Flüssigkeit durchzuführen, und die Prozessoreinrichtung die nachfolgende Bestimmung nur freigibt, nachdem der zweite, höhere Grenzwert von dem Ausgangssignal überschritten wurde.

2. Biosensor-Meßgerät nach Anspruch 1, bei welchem der Prozessor den zweiten Test erst nach einer voreingestellten Verzögerungszeit durchführt, wobei die Verzögerungszeit ausreicht, daß die Menge der biologischen Flüssigkeit den Analysereaktanten im wesentlichen benetzen kann.

3. Biosensor-Meßgerät nach Anspruch 1, bei welchem die Verstärkereinrichtung ein Leckstrom-Signal erzeugt, bevor die Menge der biologischen Flüssigkeit in der Probenaufnahme plaziert wurde, wobei das Leckstrom- Signal ein Indikator für einen Leckstrom zwischen der Anregungselektrode und der Meßelektrode ist, weiterhin umfassend:
einen steckbaren Baustein, der einen Speicher mit gespeicherten Daten enthält, wobei die gespeicherten Daten einen Leckstrom-Grenzwert, einen Tropfendetektions-Grenzwert und den zweiten Grenzwert einschließen;
wobei die Prozessoreinrichtung ermittelt, ob der Leckstrom den Leckstrom-Grenzwert übersteigt und, wenn dies nicht der Fall ist, den Leckstrom zu dem Tropfendetektions-Grenzwert hinzuaddiert, um den ersten Grenzwert zu bestimmen.

4. Biosensor-Meßgerät nach Anspruch 3, bei welchem die Prozessoreinrichtung den von dem steckbaren Baustein übernommenen zweiten Grenzwert verwendet, um festzustellen, ob die Menge ausreicht, um die nachfolgende Bestimmung zu ermöglichen.

5. Biosensor-Meßgerät zur Aufnahme eines Teststreifens, der ein Paar von Elektrodenmitteln und eine einen Analysereaktanten enthaltende Reaktionszone einschließt, die das Elektrodenmittel-Paar überbrückt, wobei das Biosensor-Meßgerät dafür eingerichtet ist zu bestimmen, ob ein durch die Reaktionszone fließender Strom sich gemäß einer vorbekannten Cottrell- Beziehung ändert, umfassend:
einen Meßverstärker, um nach Plazierung einer einen Analyten enthaltenden Probe in der Reaktionszone zu einer Mehrzahl von Meßzeitpunkten eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Meßwerten des in der Reaktionszone fließenden Stroms zu ermitteln, und
eine Prozessoreinrichtung, um jeden der Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Strommeßwerten mit jeweils unmittelbar vorausgehenden Strommeßwerten zu vergleichen, um zu testen, ob jeder der nacheinander folgenden Strommeßwerte einen geringeren Wert als der unmittelbar vorausgehende Strommeßwert hat, und, wenn dies nicht der Fall ist, ein Fehlersignal für den jeweiligen Test auszugeben.

6. Biosensor-Meßgerät nach Anspruch 5, weiterhin umfassend
einen steckbaren Baustein, der einen Speicher mit gespeicherten Daten enthält, wobei eines dieser Daten ein Delta-Änderungswert ist, und
wobei die Prozessoreinrichtung den Test durchführt, indem sie den Delta-Änderungswert, der jeweils von dem steckbaren Baustein übernommen wird, mit einem der Strommeßwerte summiert und den Summenwert mit einem anderen der Strommeßwerte vergleicht.

7. Biosensor-Meßgerät zur Aufnahme eines Teststreifens, der ein Paar von Elektrodenmitteln und eine einen Analysereaktanten enthaltende Reaktionszone einschließt, die das Elektrodenmittel-Paar überbrückt, wobei das Biosensor-Meßgerät dafür eingerichtet ist zu bestimmen, ob ein durch die Reaktionszone fließender Strom sich gemäß einer vorbekannten Cottrell- Beziehung ändert, umfassend:
einen Meßverstärker, um nach Plazierung einer einen Analyten enthaltenden Probe in der Reaktionszone zu einer Mehrzahl von m Meßzeitpunkten eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Strommeßwerten zu bestimmen, und
eine Prozessoreinrichtung, um die aufeinanderfolgenden Strommeßwerte zu summieren und festzustellen, ob ein Verhältnis zwischen dem Summenwert und einem Strommeßwert, der zu einem m-ten Meßzeitpunkt bestimmt wurde, in einem vorbestimmten Wertbereich liegt und, falls dies zutrifft, zu einer weiteren Bestimmung überzugehen.

8. Biosensor-Meßgerät nach Anspruch 7, weiterhin umfassend:
einen steckbaren Baustein, der einen Speicher mit gespeicherten Daten enthält, wobei ein Paar der Daten aus je einer oberen (K_u) und einer unteren (K₁) Vergleichskonstante besteht, wobei die Prozessoreinrichtung die obere und untere Vergleichskonstante verwendet, um den Wertebereich festzulegen.

9. System zur Messung eines durch eine Reaktionszone einer Testzelle fließenden Stroms i, wobei der Strom in Abhängigkeit von der Konzentration eines Analyten in der Reaktionszone sich in der Weise ändert, daß er einer Kurve aus einem Satz von Kurven folgt, deren Form durch die Cottrell-Gleichung definiert ist, wobei eine Prozedur zur Bestimmung, ob der Strom sich gemäß der Cottrell-Gleichung ändert, durchgeführt wird, die folgende Schritte umfaßt:

a) Messen des Stroms i zu einer Mehrzahl von Meßzeitpunkten t_n, t_n+1, t_n+2 . . . t_m um einen Stromwert i_n, i_n+1, i_n+2 . . . i_m abzuleiten;

b) Vergleichen von jedem Stromwert mit einem unmittelbar nachfolgenden Stromwert, um zu testen, ob der nachfolgende Stromwert mindestens um einen vorbestimmten Betrag kleiner ist,

c) Ausgabe eines Signals, das anzeigt, daß der in der Testzelle gemessene Strom sich nicht gemäß der Cottrell-Gleichung ändert, falls der Test gemäß Schritt b) nicht erfüllt wird.

10. System zur Messung eines durch eine Reaktionszone einer Testzelle fließenden Stroms i, wobei der Strom in Abhängigkeit von der Konzentration eines Analyten in der Reaktionszone sich in der Weise ändert, daß er einer Kurve aus einem Satz von Kurven folgt, deren Form durch die Cottrell-Gleichung definiert ist, wobei eine Prozedur zur Bestimmung, ob der Strom sich gemäß der Cottrell-Gleichung ändert, durchgeführt wird, die folgende Schritte umfaßt:

a) Messen des Stroms i zu einer Mehrzahl von Meßzeitpunkten t_n, t_n+1, t_n+2 . . . t_m, um einen Stromwert i_n, i_n+1, i_n+2 . . . i_m abzuleiten;

b) Summieren der Stromwerte in bis einschließlich im und Bestimmen, ob das Verhältnis dieser Summe zu i_m innerhalb eines vorherbestimmten konstanten Wertebereichs liegt, und, falls dies nicht zutrifft;

c) Ausgabe eines Signals, das anzeigt, daß der in der Testzelle gemessene Strom sich nicht gemäß der Cottrell-Gleichung ändert.