DE10035415A1 - Non-invasive determination of blood sugar comprises applying electric field to blood sample, switching off field, evaluating change in dielectric polarization of molecules with time and calculating the concentration of substance - Google Patents

Non-invasive determination of blood sugar comprises applying electric field to blood sample, switching off field, evaluating change in dielectric polarization of molecules with time and calculating the concentration of substance

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Abstract

Method for non-invasive determination of polar molecules in blood, especially blood sugar, comprises applying an electric field to the blood sample (1), switching off the field, evaluating the change in dielectric polarization of the molecules with time, and calculating the concentration of the polar substance. Independent claims are included for: (1) a method for non-invasive determination of polar molecules in blood in which an electric field with varying frequency is applied to the sample and its dielectric properties are simultaneously measured, the concentration of polar molecules being calculated from their relaxation frequency; and (2) apparatus for non-invasive determination of polar molecules in blood comprising: (a) a cell (4) for applying an external electric field to the sample; (b) a capacitor (2) and coil (3) for measuring the variation in statistical distribution of the orientation of the molecules with time; and (c) a data processing unit (6) for calculating the concentration of the molecules from this data.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Bestimmung der Konzentration von polaren Stoffen, insbesondere von Blutzucker, die im Blut gelöst sind.The present invention relates to a method and an apparatus for non-invasive determination of the concentration of polar substances, especially of Blood sugar that is dissolved in the blood.

Gemäß dem Stand der Technik ist es bekannt, die Blutzuckerkonzentration nach Entnahme einer vorbestimmten Blutmenge beispielsweise aus der Fingerspitze eines Patienten zu bestimmen. Grundsätzlich sind auch Techniken bekannt geworden, beispielsweise durch Kernspinnresonanz, unter Anlegen sehr starker permanenter Magnetfelder eine Blutzuckerkonzentration zu messen.According to the prior art, it is known to adjust the blood sugar concentration Withdrawal of a predetermined amount of blood, for example, from the fingertip To determine patients. In principle, techniques have also become known for example by nuclear magnetic resonance, with very strong permanent ones Magnetic fields to measure a blood sugar concentration.

Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein vereinfachtes und auch für den Laien ausführbare Technik zur nichtinvasiven Bestimmung insbesondere der Konzentration von Blutzucker im Blut bereitzustellen.The present invention is based on this prior art Task, a simplified and also executable for laypeople non-invasive determination especially of the concentration of blood sugar in the blood provide.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.This object is achieved by the features of the independent claims solved. The dependent claims form the central idea of the present Invention in a particularly advantageous manner.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur nichtinvasiven Bestimmung der Konzentration von polaren Stoffen, insbesondere von Zucker, im Blut vorgesehen. Dabei wird zuerst ein externes elektrisches Gleichfeld über das zu messende Blutvolumen (beispielsweise ein menschliches Ohrläppchen) angelegt, um die elektrischen Dipole, d. h. insbesondere polaren Moleküle, im Blut auszurichten. Im thermischen Gleichgewicht sind diese elektrischen Dipole statistisch verteilt, so daß sich nach außen kein meßbares Feld ergibt. Durch die Ausrichtung (dielektrische Polarisation der Moleküle) durch Anlegen des externen elektrischen Gleichfelds werden die Dipole in die gleiche Orientierung gebracht, so daß sich zusätzlich zu dem externen elektrischen Gleichfeld ein inneres elektrischer Gleichfeld ergibt, daß das externe elektrische Gleichfeld sozusagen verstärkt. A method for the non-invasive determination of the Concentration of polar substances, especially sugar, provided in the blood. First, an external DC electric field is created over the one to be measured Blood volume (for example, a human earlobe) applied to the electrical dipoles, d. H. especially polar molecules to align in the blood. in the thermal equilibrium, these electrical dipoles are statistically distributed, so that there is no measurable field to the outside. Due to the alignment (dielectric Polarization of the molecules) by applying the external electric constant field put the dipoles in the same orientation so that in addition to the external DC electric field an internal DC electric field results in the external electrical direct field, so to speak, amplified.  

Nach einer ausreichenden Zeitdauer, die gewährleistet, daß die elektrischen Dipole im Blut sämtlich ausgerichtet sind, wird das externe elektrische Gleichfeld wieder abgeschaltet. Zum Zeitpunkt des Abschaltens besteht also nun ein inneres elektrisches Gleichfeld, das durch die Ausrichtung der elektrischen Dipole im Blut erzeugt wird. Dieses innere elektrische Gleichfeld wird auch Polarisationsfeld genannt. Nachdem nunmehr das elektrische externe Gleichfeld abgeschaltet ist, werden sich die elektrischen Dipole gemäß einem vorbestimmten Zeitverhalten wieder in das thermische Gleichgewicht bringen, was als thermische Relaxation bezeichnet wird. Damit einher geht ein Abbau des Polarisationsfelds, der gemessen werden kann. Gemäß der Erfindung wird das zeitliche Verhalten der Relaxation der elektrischen Dipole im Blut gemessen und als Grundlage zur Berechnung der Konzentration eines polaren Stoffes im Blut verwendet.After a sufficient period of time, which ensures that the electrical dipoles in Blood are all aligned, the external DC electrical field is restored off. At the time of switching off, there is now an internal electrical one DC field generated by the alignment of the electrical dipoles in the blood. This internal electric constant field is also called polarization field. After this now the external electrical direct field is switched off, the electrical dipoles back into the thermal according to a predetermined time behavior Bring balance, which is called thermal relaxation. Along with it is a degradation of the polarization field that can be measured. According to the Invention is the temporal behavior of the relaxation of the electrical dipoles in the blood measured and as the basis for calculating the concentration of a polar substance in the Blood used.

Die Berechnung der Konzentration des Stoffes wird insbesondere unter Berücksichtigung der (bekannten bzw. vorab im Zuge von Kalibrierungen ermittelten) Zeitkonstante seines (exponentiellen) Relaxationsverhaltens sowie der Zeitkonstante (n) wenigstens eines weiteren Stoffes im Blut ausgeführt. Dadurch, daß neben dem zeitlichen Relaxationsverhalten des gewünschten Stoffes (beispielsweise des Blutzuckers) das Relaxationsverhalten, d. h. der Amplitudenverlauf, wenigstens eines weiteren Stoffes gemessen wird, kann der Amplitudenverlauf des gewünschten Stoffes (Blutzuckers) in Bezug auf den Amplitudenverlauf wenigstens eines weiteren Stoffes gesetzt werden, wodurch sich in einfacher Weise die Konzentration des gewünschten Stoffes im Blut ermitteln läßt.The calculation of the concentration of the substance is particularly under Consideration of the (known or determined in advance in the course of calibrations) Time constant of his (exponential) relaxation behavior as well as the time constant (s) at least one other substance in the blood. Because in addition to the temporal relaxation behavior of the desired substance (e.g. the Blood sugar) the relaxation behavior, d. H. the amplitude curve, at least one other substance is measured, the amplitude profile of the desired substance (Blood sugar) in relation to the amplitude profile of at least one other substance be set, which makes it easy to concentrate the desired Can determine substance in the blood.

Das zeitliche Relaxationsverhalten kann beispielsweise mittels eines Stromes I(t) gemessen werden, der einhergehend mit dem Abbau des Polarisationsfelds in einer externen Spule induziert wird. Grundlage dafür ist, daß durch die zeitliche (exponentielle) Änderung des elektrischen (inneren) Felds E(t) ein zeitlich sich verändertes Magnetfeld B(t) erzeugt wird, das wiederum einen sich zeitlich veränderten Strom I(t) in der externen Spule induziert.The temporal relaxation behavior can be determined, for example, by means of a current I (t) be measured, which is accompanied by the breakdown of the polarization field in one external coil is induced. The basis for this is that through the temporal (Exponential) change of the electric (inner) field E (t) a temporally changed magnetic field B (t) is generated, which in turn changes over time Current I (t) induced in the external coil.

Nach Abschalten des externen Gleichfelds kann also die zeitliche Änderung des durch die elektrischen Dipole erzeugten (inneren) elektrischen Felds direkt oder indirekt gemessen werden.After switching off the external DC field, the change in time due to the electric dipoles generated (internal) electric field directly or indirectly be measured.

Alternativ oder zusätzlich kann diese zeitliche Änderung des (internen) elektrischen Felds kapazitiv gemessen werden. Diese kapazitive Messung kann beispielsweise mit einem elektrischen Wechselfeld erfolgen, das eine Frequenz aufweist, die oberhalb der Relaxationsfrequenz (ωREL) der elektrischen Dipole im Blut liegt. Die Frequenz des elektrischen Wechselfelds zur Auswertung ist also so bemessen, daß die elektrischen Dipole hinsichtlich ihres Schwingungsverhaltens diesem Wechselfeld nicht mehr folgend können.Alternatively or additionally, this change over time of the (internal) electrical field can be measured capacitively. This capacitive measurement can take place, for example, with an alternating electrical field that has a frequency that is above the relaxation frequency (ω REL ) of the electrical dipoles in the blood. The frequency of the alternating electrical field for evaluation is so dimensioned that the electrical dipoles can no longer follow this alternating field with regard to their oscillation behavior.

Zur Berechnung der Konzentration des gewünschten Stoffes (Blutzuckers) aus dem insgesamt erhaltenen Meßsignal, das eine Überlagerung der Relaxationssignale sämtlicher im Blut enthaltener Dipole darstellt, können Kalibrierungsdaten verwendet werden. Diese Kalibrierungsdaten können beispielsweise dadurch gewonnen werden, daß vorab Blut mit unterschiedlichem Blutzuckergehalt gemessen wird. Insbesondere können die Kalibrierungsdaten personenbezogen sein, d. h. das Verfahren wird auf eine bestimmte Person dadurch "kalibriert", daß der Person bei verschiedenen Blutzuckergehalten (vor/nach dem Essen) Blut entnommen wird und die Blutzuckerkonzentrationswerte des entnommenen Bluts zur Kalibrierung der nichtinvasiven Messung verwendet werden.To calculate the concentration of the desired substance (blood sugar) from the overall measurement signal obtained, which is a superposition of the relaxation signals represents all dipoles contained in the blood, calibration data can be used become. This calibration data can be obtained, for example, by that blood with different blood sugar levels is measured in advance. In particular the calibration data can be personal, i. H. the procedure is based on a certain person "calibrated" in that the person at different Blood sugar (before / after eating) blood is taken and the Blood sugar concentration values of the blood taken to calibrate the non-invasive measurement can be used.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur nichtinvasiven Bestimmung der Konzentration von dielektrischen Stoffen im Blut vorgeschlagen. Dabei wird ein elektrisches Feld über das zu messende Blutvolumen angelegt. Die Frequenz des elektrischen Felds wird dann verändert, wobei gleichzeitig die dielektrischen Eigenschaften des untersuchten Blutvolumens ausgewertet werden. Beispielsweise wird die Frequenz des elektrischen Wechselfelds von 0 ab erhöht. Bei sehr tiefen Frequenzen nimmt die Dielektrizitätskonstante des untersuchten Blutvolumens ihren Maximalwert Emax an. Jedes Mal, wenn die Frequenz des elektrischen Wechselfelds in dem Bereich einer Relaxationsfrequenz ωREL eines polaren Stoffes im Blut gelangt, nimmt die Dielektrizitätskonstante deutlich ab, da in diesem Bereich die Dipole des genannten Stoffes dem externen elektrischen Feld nicht mehr folgen können. Wenn beispielsweise die Relaxationsfrequenz des Blutzuckers im Blut bekannt ist, kann aus der Veränderung der Dielektrizitätskonstante Δε im Bereich der Relaxationsfrequenz von Blutzucker auf die Konzentration des Blutzuckers im untersuchten Blutvolumen geschlossen werden.According to a further aspect of the present invention, a method for the non-invasive determination of the concentration of dielectric substances in the blood is proposed. An electrical field is created over the blood volume to be measured. The frequency of the electric field is then changed, the dielectric properties of the blood volume being examined being evaluated at the same time. For example, the frequency of the alternating electrical field is increased from zero. At very low frequencies, the dielectric constant of the examined blood volume assumes its maximum value E max . Whenever the frequency of the alternating electrical field reaches the relaxation frequency ω REL of a polar substance in the blood, the dielectric constant decreases significantly, since in this region the dipoles of the substance mentioned can no longer follow the external electrical field. If, for example, the relaxation frequency of the blood sugar in the blood is known, the change in the dielectric constant Δε in the relaxation frequency range of blood sugar can be used to infer the concentration of the blood sugar in the blood volume examined.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind Vorrichtungen zur nichtinvasiven Bestimmung der Konzentration von dielektrischen Stoffen im Blut vorgesehen.According to a further aspect of the invention, devices are non-invasive Determination of the concentration of dielectric substances in the blood is provided.

Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der nunmehr Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen näher ersichtlich. Further advantages, features and properties of the present invention will become apparent from the now description of an embodiment and with reference to the Figures of the accompanying drawings can be seen in more detail.  

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung der Blutzuckerkonzentration gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 1 is a schematic view showing an apparatus for determining blood glucose concentration according to the present invention,

Fig. 2 zeigt schematisch das zeitliche Relaxationsverhalten von ausgerichteten Dipolen nach Abschalten eines externen Felds, und Fig. 2 shows schematically the temporal relaxation behavior of aligned dipoles after turning off of an external field, and

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstante von der Frequenz eines externen elektrischen Felds insbesondere für den Bereich der Relaxationsfrequenzen von polaren Stoffen. Fig. 3 shows the dependence of the dielectric constant from the frequency of an external electric field especially in the area of the relaxation frequencies of polar substances.

Bezugnehmend auf Fig. 1 soll zuerst eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Bestimmung von dielektrischen Stoffen, insbesondere von Blutzucker, in Flüssigkeiten erläutert werden. Mit dem Bezugszeichen 1 ist dabei schematisch ein zu untersuchendes Blutvolumen bezeichnet. Im tatsächlichen Anwendungsfall ist das Blutvolumen 1 allerdings kein konstantes, sondern vielmehr ein strömendes Volumen. Beispielsweise kann bei der Anwendung auf die Messung des Blutzuckers bei Menschen vorteilhafterweise das Ohrläppchen des Patienten verwendet werden.Referring to Fig. 1 is to first to a device for non-invasive determination of dielectric materials, in particular of blood glucose, will be explained in liquids. A blood volume to be examined is schematically designated by the reference number 1 . In actual use, however, the blood volume 1 is not a constant, but rather a flowing volume. For example, when applied to measuring blood sugar in humans, the patient's earlobe can advantageously be used.

Mit dem Bezugszeichen 2 sind Vorrichtungen (Kondensatorplatten) bezeichnet, die zum Anlegen eines elektrischen Gleichfelds E über das zu messende Blutvolumen 1 dienen. Zum Erzeugen des elektrischen Gleichfelds E über das Blutvolumen 1 ist eine Gleichspannungsquelle 4 vorgesehen, die wahlweise mit den Kondensatorplatten 2 verbunden werden kann, wie symbolisch durch einen Schalter 11 dargestellt ist, um eine Gleichspannung UDC an die Kondensatorplatten 2 anzulegen. Wenn nun das elektrische Gleichfeld E eine ausreichende Zeitdauer lang über das Blutvolumen 1 angelegt ist, werden sich sämtliche in dem Blutvolumen 1 gelöste polare (dielektrische) Moleküle wie Blutzucker, Wasser, etc. längs der Feldlinien des elektrischen Gleichfelds E ausrichten.The reference number 2 designates devices (capacitor plates) which are used to apply a direct electric field E across the blood volume 1 to be measured. To generate the DC electrical field E via the blood volume 1 , a DC voltage source 4 is provided, which can optionally be connected to the capacitor plates 2 , as is symbolically represented by a switch 11 , in order to apply a DC voltage U DC to the capacitor plates 2 . If the DC electric field E is applied over the blood volume 1 for a sufficient period of time, all polar (dielectric) molecules such as blood sugar, water, etc. dissolved in the blood volume 1 will align along the field lines of the DC electric field E.

Mit dem Bezugszeichen 5 ist eine Wechselspannungsquelle mit einstellbarer Frequenz vorgesehen, die ebenfalls mit den Kondensatorplatten 2 wahlweise verbunden werden kann, wie symbolisch durch einen Schalter 12 dargestellt ist.Reference number 5 provides an AC voltage source with an adjustable frequency, which can also be optionally connected to the capacitor plates 2 , as symbolically represented by a switch 12 .

Angrenzend an das Blutvolumen ist weiterhin wenigstens eine Spule 3 vorgesehen, wobei der in der Spule 3 fließende Strom I(t), insbesondere ein Induktionsstrom, erfaßt wird, wie symbolisch durch das Bezugszeichen 7 bezeichnet ist. Weiterhin ist eine Auswerteeinheit 6 vorgesehen, die die über die Kondensatorplatten 2 anliegende Spannung U(t) sowie den in der Spule fließenden Strom I(t) auswerten kann. Weiterhin wird der Auswerteeinheit 6 die Frequenz der von der Wechselspannungsquelle 5 erzeugten Wechselspannung UAC zugeführt.Adjacent to the blood volume, at least one coil 3 is also provided, the current I (t) flowing in the coil 3 , in particular an induction current, being detected, as symbolically designated by reference number 7 . Furthermore, an evaluation unit 6 is provided, which can evaluate the voltage U (t) present across the capacitor plates 2 and the current I (t) flowing in the coil. Furthermore, the frequency of the AC voltage U AC generated by the AC voltage source 5 is fed to the evaluation unit 6 .

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird also zuerst über eine vorbestimmte Zeitdauer das elektrische Gleichfeld E über das Blutvolumen 1 angelegt. Die Zeitdauer ist dabei so gewählt, daß sichergestellt ist, daß sich angesichts der Viskosität des Bluts sämtliche polaren Moleküle im Blut und insbesondere Zuckermoleküle längs der Feldlinien des Gleichfelds ausgerichtet haben.According to a first aspect of the invention, the DC electric field E is first applied over the blood volume 1 over a predetermined period of time. The time period is chosen so that it is ensured that, in view of the viscosity of the blood, all polar molecules in the blood and in particular sugar molecules have been aligned along the field lines of the constant field.

Der physikalische Hintergrund ist dabei wie folgt: Manche atomaren Teilchen besitzen in Folge ihres Aufbaus auch im feldfreien Raum schon ein elektrisches Dipolmoment (polare Moleküle, insbesondere Wasser, Alkohole, Zucker, Säuren, etc.). Da aber normalerweise die thermische Bewegung die Richtungen einer großen Anzahl solcher polaren Moleküle zufallsmäßig verteilt, besteht ohne externes angelegtes elektrisches Feld E keine dielektrische Polarisation. Das externe elektrische Feld E zwingt nun die polaren Moleküle in die Vorzugsrichtung entlang der elektrischen Feldlinien umso stärker, je stärker das Feld und je tiefer die Temperatur ist, da die Wärmebewegung die Einstellung der polaren Moleküle entlang der Feldlinien stört. Diese Ausrichtung der polaren Moleküle entlang der Feldlinien benötigt eine gewisse Zeit und zwar umso länger, je viskoser das umgebende Medium (Blut) ist. In hochfrequenten Wechselfeldern hinkt üblicherweise die Ausrichtung der polaren Moleküle dem Feld hinterher, was als dielektrische Relaxation bezeichnet wird.The physical background is as follows: Some have atomic particles As a result of their construction, an electrical dipole moment already in the field-free space (polar molecules, especially water, alcohols, sugars, acids, etc.). Here but usually the thermal movement the directions of a large number of such randomly distributed polar molecules, exists without external electrical Field E no dielectric polarization. The external electric field E now forces the polar molecules in the preferred direction along the electric field lines all the more stronger, the stronger the field and the lower the temperature, because the heat movement the Disruption of polar molecules along the field lines. This alignment of polar molecules along the field lines take a certain amount of time, and all the more so longer, the more viscous the surrounding medium (blood) is. In high frequency Alternating fields usually lag behind the orientation of the polar molecules in the field afterwards what is called dielectric relaxation.

Wenn nun folgend auf den ausgerichteten Zustand der insbesondere Zuckermoleküle im Blutvolumen 1 das elektrische Gleichfeld E abgeschaltet wird, besteht eine dielektrische Polarisation und somit ein inneres elektrisches Feld weiter. Dieses innere elektrische Feld kann beispielsweise mittels der Kondensatorplatten 2 gemessen werden. Dies erfolgt mittels der Auswerteeinheit 6, die unter anderem Spannungen an den Kondensatorplatten 2 mißt. Aufgrund der Einwirkung der thermischen Energie werden indessen aus diesem geordneten Zustand heraus die polaren Moleküle wieder in einem zeitlich exponentiellen abnehmenden Verlauf in den ungeordneten Zustand übergehen. Somit baut sich die Polarisation und auch die entsprechend an den Kondensatorplatten 2 anliegende Spannung ab, was durch die Auswerteeinheit 6 erfaßt werden kann. Die elektrische Feldstärke, die durch die Polarisation erzeugt wird, nimmt also exponentiell ab. Durch die zeitliche Änderung des elektrischen Felds wird wiederum ein zeitlich sich veränderndes magnetisches Feld erzeugt. Die dadurch entstehende zeitliche Änderung des Induktionsflusses durch die Spule 3 erzeugt dort einen Induktionsstrom, der ebenfalls durch die Auswerteeinheit 6 ausgewertet werden kann. If, following the aligned state of the in particular sugar molecules in the blood volume 1, the constant electric field E is switched off, there is a dielectric polarization and thus an internal electric field. This internal electrical field can be measured, for example, by means of the capacitor plates 2 . This is done by means of the evaluation unit 6 , which measures voltages on the capacitor plates 2 , among other things. Due to the influence of thermal energy, however, the polar molecules will change from this ordered state to the disordered state again in a time-exponentially decreasing course. Thus, the polarization and also the voltage applied to the capacitor plates 2 decrease, which can be detected by the evaluation unit 6 . The electric field strength generated by the polarization therefore decreases exponentially. The temporal change in the electric field in turn generates a temporally changing magnetic field. The change in the induction flow through the coil 3 that occurs as a result generates an induction current there, which can also be evaluated by the evaluation unit 6 .

Somit besteht sowohl über die Kondensatorplatten 2 wie auch alternativ oder zusätzlich mittels der Spule 3 die Möglichkeit, den exponentiell verlaufenden Feldabbau (siehe Fig. 2) zu erfassen.There is thus the possibility of detecting the exponential field degradation (see FIG. 2) both via the capacitor plates 2 and alternatively or additionally by means of the coil 3 .

Die Amplitude der Feldstärke, die durch das dielektrische Polarisationsfeld nach dem Abschalten des externen elektrischen Gleichfelds E vorhanden ist, ist ein Maß für die Anzahl der polaren Moleküle im Meßvolumen des Bluts 1. Allerdings, wie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, liegen im Blut verschiedene polare Moleküle (Wasser, Säuren, Alkohol, Zucker) vor, was schematisch mit 8, 9, 10 bezeichnet ist. Die Polarisationen dieser verschiedenen polaren Moleküle überlagern sich und letztendlich kann kapazitiv und/oder induktiv nur die Überlagerung dieser Polarisationen und die dadurch einstellende Feldstärke einschließlich ihres zeitlichen Verlaufs gemessen werden. Dies ist in Fig. 2 schematisch durch Bezugszeichen 8 bezeichnet.The amplitude of the field strength, which is present by the dielectric polarization field after the external electrical direct field E has been switched off, is a measure of the number of polar molecules in the measurement volume of the blood 1 . However, as is shown schematically in FIG. 2, there are various polar molecules (water, acids, alcohol, sugar) in the blood, which is denoted schematically by 8 , 9 , 10 . The polarizations of these different polar molecules overlap and ultimately only the superimposition of these polarizations and the field strength which is set thereby, including their time profile, can be measured capacitively and / or inductively. This is indicated schematically in FIG. 2 by reference number 8 .

Um nunmehr aus der Gesamtkurve 8 in Fig. 2 den Anteil 9 beispielsweise von Zucker und somit beispielsweise ausgehend von der zum Zeitpunkt t0 des Abschaltens des elektrischen Gleichfelds durch die Zuckermoleküle verursachten Polarisation zu bestimmen, werden in der Auswerteeinheit 6 die bekannten Zeitkonstanten der thermischen Relaxation gemäß Fig. 2 der verschiedenen polaren Moleküle im Blut berücksichtigt.In order to determine from the total curve 8 in FIG. 2 the portion 9 of, for example, sugar and thus, for example, starting from the polarization caused by the sugar molecules at the time t 0 when the DC electric field is switched off, the known time constants of the thermal relaxation are used in the evaluation unit 6 included in the blood as shown in FIG. 2, the various polar molecules.

Wie in Fig. 2 ebenfalls gezeigt ist, kann das Anlegen des elektrischen Gleichfelds in gewissen Taktraten (Wiederholungszeit trep) wiederholt werden, um eine Vielzahl von exponentiellen thermischen Relaxationen gemäß der Kurve 8 zu erhalten und somit durch eine statistische Auswertung das Ergebnis zu verbessern.As is also shown in FIG. 2, the application of the DC electric field can be repeated at certain clock rates (repetition time t rep ) in order to obtain a large number of exponential thermal relaxations according to curve 8 and thus to improve the result by means of a statistical evaluation.

Eine weitere Möglichkeit, den zeitlichen Verlauf der thermischen Relaxation der Polarisation und somit die Dichte beispielsweise der polaren Zuckermoleküle zu bestimmen, besteht darin, daß nach dem Abschaltend des elektrischen Gleichfelds E ein hochfrequentes Wechselfeld angelegt ist, dessen Frequenz höher gewählt ist, als die sogenannte Relaxationsfrequenz ωREL der polaren Moleküle in dem Blutvolumen 1. Mittels der angelegten hochfrequenten Wechselspannung UAC kann die zeitliche Entwicklung der Kapazität des Kondensators 2 nachverfolgt werden, die bekanntlich von der Dielektrizitätskonstante und somit von der Polarisation des Blutvolumens 1 innerhalb des Kondensators 2 abhängt. Durch den im wesentlichen exponentiellen Abbau der Polarisation ändert sich entsprechend die Dielektrizitätskonstante ε des Bluts und somit die Kapazität des Kondensators 2. Another way of determining the temporal course of the thermal relaxation of the polarization and thus the density of, for example, the polar sugar molecules, is that after switching off the electrical direct field E, a high-frequency alternating field is applied, the frequency of which is chosen to be higher than the so-called relaxation frequency ω REL of the polar molecules in the blood volume 1 . By means of the applied high-frequency alternating voltage U AC , the temporal development of the capacitance of the capacitor 2 can be tracked, which, as is known, depends on the dielectric constant and thus on the polarization of the blood volume 1 within the capacitor 2 . Due to the essentially exponential degradation of the polarization, the dielectric constant ε of the blood and thus the capacitance of the capacitor 2 change accordingly.

Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Konzentration beispielsweise der polaren Zuckermoleküle im Blut. Dabei wird ausgenutzt, daß die Relaxationsfrequenzen ωREL für verschiedene polare Moleküle im Blut unterschiedlich sind. Als Parameter für die Dichte der polaren Zuckermoleküle im Blut kann somit die Änderung der Dielektrizitätskonstanten Δε des Blutvolumens 1 im Bereich Δω um die bekannte Relaxationsfrequenz von Zucker ωrel2 im Blut verwendet werden. Je größer dieser Sprung der Dielektrizitätskonstanten ist, desto größer ist die Konzentration an Zucker im Blut. Fig. 3 shows a further possibility for determining the concentration for example, shows the polar molecules in the blood sugar. This takes advantage of the fact that the relaxation frequencies ω REL are different for different polar molecules in the blood. The change in the dielectric constant Δε of the blood volume 1 in the range Δω around the known relaxation frequency of sugar ω rel2 in the blood can thus be used as a parameter for the density of the polar sugar molecules in the blood. The greater this jump in dielectric constant, the greater the concentration of sugar in the blood.

Claims (10)

1. Verfahren zur nichtinvasiven Bestimmung der Konzentration von Stoffen mit polarer Molekülstruktur, insbesondere von Blutzucker, im Blut, aufweisend die folgenden Schritte:
  • - Anlegen (4) eines externen elektrischen Gleichfelds über das zu messende Blutvolumen (1) zur Ausrichtung von polaren Molekülen im Blut,
  • - Abschalten des externen elektrischen Gleichfelds,
  • - Auswertung (6) des zeitlichen Verhaltens der dielektrischen Polarisation der polaren Moleküle nach dem abschalten des externen elektrischen Gleichfelds, und
  • - Berechnung (6) der Konzentration eines bestimmten Stoffes, insbesondere Zucker, im Blut aus dem Auswertungs-Signal.
1. A method for the non-invasive determination of the concentration of substances with a polar molecular structure, in particular blood sugar, in the blood, comprising the following steps:
  • - Applying ( 4 ) an external electrical constant field over the blood volume to be measured ( 1 ) to align polar molecules in the blood,
  • - switching off the external DC electrical field,
  • - Evaluation ( 6 ) of the temporal behavior of the dielectric polarization of the polar molecules after switching off the external electrical constant field, and
  • - Calculation ( 6 ) of the concentration of a certain substance, in particular sugar, in the blood from the evaluation signal.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung (6) der Konzentration eines Stoffes unter Berücksichtigung der Zeitkonstante des exponentiellen Relaxationsverhaltens seiner dielektrischen Polarisation sowie der Zeitkonstante (n) wenigstens eines weiteren Stoffes im Blut (1) erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the calculation ( 6 ) of the concentration of a substance takes into account the time constant of the exponential relaxation behavior of its dielectric polarization and the time constant (s) of at least one further substance in the blood ( 1 ). 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Relaxationsverhalten der dielektrischen Polarisation der polaren Moleküle mittels eines in einer Spule (3) induzierten Stroms (I) gemessen wird.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the relaxation behavior of the dielectric polarization of the polar molecules is measured by means of a current (I) induced in a coil ( 3 ). 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Änderung der dielektrischen Polarisation kapazitiv gemessen wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that the temporal change in the dielectric polarization is measured capacitively. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Messung mittels eines elektrischen Wechselfelds (5) bei einer Frequenz ausgeführt wird, die oberhalb der Relaxationsfrequenz (ΩREL) der polaren Moleküle liegt, um die zeitliche Entwicklung zu messen. 5. The method according to claim 4, characterized in that the capacitive measurement by means of an alternating electric field ( 5 ) is carried out at a frequency which is above the relaxation frequency (Ω REL ) of the polar molecules in order to measure the development over time. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der Konzentration des gewünschten Stoffes, insbesondere des Blutzuckers aus dem insgesamt erhaltenen Meßsignal Kalibrierungsdaten verwendet werden, die das zeitliche Verhalten der Relaxation der dielektrischen Polarisation für verschiedene Konzentrationen des gewünschten Stoffes, insbesondere des Blutzuckers, wiedergeben.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that to calculate the concentration of the desired substance, especially the Blood sugar from the total measurement signal obtained uses calibration data the temporal behavior of the relaxation of the dielectric polarization for different concentrations of the desired substance, especially the Blood sugar, play back. 7. Verfahren zur nichtinvasiven Bestimmung der Konzentration von Stoffen mit polare Molekülstruktur, insbesondere von Blutzucker, im Blut, aufweisend die folgenden Schritte:
  • - Anlegen eines externen elektrischen Felds über das zu messende Blutvolumen (1),
  • - Verändern der Frequenz des externen elektrischen Felds unter gleichzeitiger Messung der dielektrischen Eigenschaften (E) des Blutvolumens (1), und
  • - Bestimmung der Konzentration des gewünschten Stoffes im Blut auf Grundlage der Veränderung der dielektrischen Eigenschaften des Blutvolumens (1) im Bereich der Relaxationsfrequenz (ΩREL) des gewünschten Stoffes.
7. A method for the non-invasive determination of the concentration of substances with a polar molecular structure, in particular blood sugar, in the blood, comprising the following steps:
  • - applying an external electric field over the blood volume to be measured ( 1 ),
  • - Changing the frequency of the external electric field while measuring the dielectric properties (E) of the blood volume ( 1 ), and
  • - Determination of the concentration of the desired substance in the blood on the basis of the change in the dielectric properties of the blood volume ( 1 ) in the range of the relaxation frequency (Ω REL ) of the desired substance.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blutvolumen im Bereich des Ohrläppchen eines Menschen verwendet wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that a blood volume is used in the area of a human earlobe. 9. Vorrichtung zur nichtinvasiven Bestimmung der Konzentration von Stoffen mit polarer Molekülstruktur, insbesondere von Blutzucker, im Blut, aufweisend:
eine Einrichtung (4) zum wahlweisen (4) Anlegen eines externen elektrischen Gleichfelds über das zu messende Blutvolumen (1),
eine Einrichtung (2, 3) zur Messung des zeitlichen Verhaltens der statistischen Verteilung der Orientierung der polaren Moleküle im Blutvolumen (1), die durch Anlegen des externen elektrischen Gleichfelds ausgerichtet wurden, und
eine Auswerteeinheit (6) zur Berechnung der Konzentration des gewünschten Stoffes im Blut auf Grundlage des erhaltenen Meßsignals.9. Device for the non-invasive determination of the concentration of substances with a polar molecular structure, in particular blood sugar, in the blood, comprising:
a device ( 4 ) for selectively ( 4 ) applying an external DC electric field over the blood volume to be measured ( 1 ),
a device ( 2 , 3 ) for measuring the temporal behavior of the statistical distribution of the orientation of the polar molecules in the blood volume ( 1 ) which have been aligned by applying the external electrical constant field, and
an evaluation unit ( 6 ) for calculating the concentration of the desired substance in the blood on the basis of the measurement signal obtained. 10. Vorrichtung zur nichtinvasiven Bestimmung der Konzentration von Stoffen mit polarer Molekülstruktur, insbesondere von Zucker, im Blut, aufweisend:
eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Felds über zu messende Blutvolumen (1),
eine Einrichtung zur Veränderung der Frequenz des externen elektrischen Felds, und
eine Einrichtung zur Messung der dielektrischen Eigenschaften des Blutvolumens (1) während der Veränderung der Frequenz des externen elektrischen Felds.10. Device for the non-invasive determination of the concentration of substances with a polar molecular structure, in particular of sugar, in the blood, comprising:
a device for applying an electric field via blood volume to be measured ( 1 ),
means for changing the frequency of the external electric field, and
a device for measuring the dielectric properties of the blood volume ( 1 ) while changing the frequency of the external electric field.
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