СИСТЕМА И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АНАЛИТА В ОБРАЗЦЕ Российский патент 2016 года по МПК G01N33/48 

ПРИОРИТЕТ

Настоящая заявка на патент испрашивает приоритет в соответствии с §§119, 120, 365 или 371 раздела 35 Свода законов США по предыдущей заявке на патент № 61/365719 (CIL-5005PSP), № 61/61/366099 (CIL-5005PSP1) и № 61/442664 (CIL-5005PSP2); все предыдущие заявки включены в настоящую заявку на патент путем ссылки.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обнаружение аналита в физиологических жидкостях, например крови или продуктах крови, приобретает все большее значение в современном обществе. Анализы на обнаружение аналита используются в самых разнообразных целях, в том числе при клинических лабораторных исследованиях, исследованиях в домашних условиях и т.п., когда результаты такого исследования играют важную роль в диагностике и контроле различных заболеваний. К таким аналитам относятся глюкоза при контроле диабета, холестерин и т.п. В ответ на растущее значение обнаружения аналита были разработаны различные протоколы и устройства обнаружения аналита как для клинического, так и для домашнего применения.

Одним типом способа, применяемого для обнаружения аналита, является электрохимический способ. В таких способах водный жидкий образец помещают в камеру для приема образца в электрохимической ячейке, в которой находятся два электрода, например, рабочий электрод и противоэлектрод. Аналит подвергают реакции с окислительно-восстановительным реагентом для образования окисляемого (или восстанавливаемого) вещества в количестве, соответствующем концентрации аналита. Затем количество имеющегося окисляемого (или восстанавливаемого) вещества оценивают электрохимически и соотносят с количеством аналита в исходном образце.

Такие системы подвержены разного рода неэффективности и/или погрешностям. Например, на результаты использования способа могут влиять колебания температур. Это имеет особое значение, когда способ используется в неконтролируемых условиях, как нередко бывает в домашних условиях или в развивающихся странах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявители обнаружили, что расчет концентрации глюкозы не требует температурной компенсации, если измеряемый или определяемый ток фиксируется в момент или перед моментом переключения с первого напряжения на второе напряжение, которые прикладываются к тест-полоске с двумя обращенными друг к другу электродами в измерительной ячейке с содержащимся в ней реагентом.

Предлагаются различные аспекты способа расчета концентрации аналита в образце. В одном аспекте предлагается способ определения концентрации глюкозы в крови с использованием системы измерения глюкозы. Система включает в себя тест-полоску и измерительный прибор. Измерительный прибор содержит микроконтроллер, выполненный с возможностью приложения множества тестовых напряжений к тест-полоске и измерения выходного значения переходного тока, вызванного электрохимической реакцией в измерительной камере тест-полоски. Способ может быть реализован путем: вставки тест-полоски в разъем порта для полоски измерительного прибора для подключения по меньшей мере двух электродов тест-полоски к электрической схеме измерения полоски; запуска процедуры тестирования после нанесения образца; приложения первого напряжения между по меньшей мере двумя электродами тест-полоски в течение первого промежутка времени от запуска процедуры тестирования для инициации превращения аналитов в образце; переключения с первого напряжения на второе напряжение, отличное от первого напряжения; изменения со второго напряжения на третье напряжение, отличное от первого или второго напряжений; измерения первого выходного значения тока для переходного тока с электродов в течение промежутка времени для переключения с первого напряжения на второе напряжение, но до полного перехода на второе напряжение; измерения второго выходного значения тока для переходного тока с электродов после изменения со второго напряжения на третье напряжение; оценки установившегося выходного значения тока для переходного тока после установки третьего напряжения на электродах; и расчета концентрации глюкозы в крови на основе первого, второго и третьего выходных значений тока для переходного тока без температурной компенсации концентрации глюкозы.

В другом аспекте предлагается способ определения концентрации глюкозы в крови с использованием системы измерения глюкозы. Система включает в себя тест-полоску и измерительный прибор. Измерительный прибор содержит микроконтроллер, выполненный с возможностью приложения множества тестовых напряжений к тест-полоске и измерения выходного значения переходного тока, вызванного электрохимической реакцией в измерительной камере тест-полоски. Способ может быть реализован путем: вставки тест-полоски в разъем порта для полоски измерительного прибора для подключения по меньшей мере двух электродов тест-полоски к электрической схеме измерения полоски; запуска процедуры тестирования после нанесения образца; приложения первого напряжения между по меньшей мере двумя электродами тест-полоски в течение первого промежутка времени от запуска процедуры тестирования для инициации превращения аналитов в образце; переключения с первого напряжения на второе напряжение, отличное от первого напряжения; изменения со второго напряжения на третье напряжение, отличное от первого или второго напряжений; измерения первого выходного значения тока для переходного тока с электродов в течение промежутка времени для переключения с первого напряжения на второе напряжение, но до полного перехода на второе напряжение; измерения второго выходного значения тока для переходного тока с электродов после изменения со второго напряжения на третье напряжение; оценки установившегося выходного значения тока для переходного тока после установки третьего напряжения на электродах; и вычисления концентрации глюкозы в крови на основе первого, второго и третьего выходных значений тока для переходного тока без температурной компенсации концентрации глюкозы с использованием уравнения вида: ; где: G₁ представляет собой концентрацию глюкозы; ; ; ; где a, b, c, p, zgr представляют собой технологические параметры; i_4.1 представляет собой ток, измеренный через приблизительно 4,1 секунды после запуска процедуры тестирования; i₅ представляет собой ток, измеренный через приблизительно 5 секунд после запуска процедуры тестирования; i_1.0 представляет собой ток, измеренный через приблизительно 1 секунду после запуска процедуры тестирования.

В дополнительном аспекте предлагается система измерения уровня глюкозы в крови. Система включает в себя тест-полоску для определения аналита и измерительный прибор. Тест-полоска для определения аналита включает в себя подложку с нанесенным на нее реагентом и по меньшей мере два электрода, расположенных в непосредственной близости к реагенту в измерительной камере. Измерительный прибор для определения аналита включает в себя разъем порта для полоски, обеспечивающий подключение к двум электродам, источник питания и микроконтроллер, электрически соединенный с разъемом порта для полоски и источником питания таким образом, что при вставке тест-полоски в разъем порта для полоски и осаждении образца крови в измерительной камере для химического окисления или превращения глюкозы в образце крови микроконтроллер определяет концентрацию глюкозы в образце крови без дополнительной температурной компенсации концентрации глюкозы.

В еще одном аспекте предлагается система измерения глюкозы для измерения концентрации глюкозы в физиологической жидкости пользователя. Система включает в себя тест-полоску, имеющую электрохимическую ячейку с рабочим электродом, электрод и слой реагента, содержащий медиатор в области измерения. Электроды могут быть соединены с соответствующими контактными площадками. Измерительный прибор для определения аналита включает в себя микропроцессор и схему испытания, соединенную с портом для тест-полоски, электрически соединенным с контактными площадками тест-полоски, таким образом, что измерительный прибор выполнен с возможностью приложения первого, второго и третьего напряжений после размещения физиологической жидкости на электродах и определения концентрации глюкозы по результатам измерения первого тока, в момент или перед моментом переключения с первого напряжения на второе напряжение, второго, третьего и четвертого токов, пикового тока после изменения со второго напряжения на третье напряжение, и установившегося тока, измеренного измерительным прибором без какой-либо температурной компенсации концентрации глюкозы.

Перечисленные и иные варианты осуществления, их особенности и преимущества станут очевидны для специалистов в данной области после изучения приведенного ниже более подробного описания различных примеров осуществления настоящего изобретения в сочетании с сопутствующими чертежами, которым предварительно дается краткое описание.

Решаемой задачей заявленного изобретения является определение концентрации улучшенным образом: без необходимости учета температуры.

Техническим результатом заявленного изобретения является

обеспечение возможности расчета концентрации глюкозы без температурной компенсации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сопутствующие фигуры, включенные в настоящий документ и составляющие часть данного описания, иллюстрируют предпочтительные на данный момент варианты осуществления настоящего изобретения и, в сочетании с приведенным выше общим описанием и приводимым ниже подробным описанием, призваны разъяснить особенности изобретения (где одинаковыми номерами указаны одинаковые элементы).

На фиг.1A представлена предпочтительная система измерения глюкозы в крови.

На фиг.1B представлены различные компоненты, расположенные в измерительном приборе, показанном на фиг.1A.

На фиг.1C представлен вид в перспективе в собранном виде тест-полоски, допустимой для использования в системе и способах, раскрываемых в настоящем документе.

На фиг.1D представлен вид в перспективе в разобранном виде с покомпонентным представлением тест-полоски, допустимой для использования в системе и способах, раскрываемых в настоящем документе.

На фиг.1E представлен вид в перспективе в увеличенном виде проксимальной части тест-полоски, допустимой для использования в системе и способах, раскрываемых в настоящем документе.

На фиг.2 представлен вид снизу одного варианта осуществления тест-полоски, раскрываемой в настоящем документе.

На фиг.3 представлен вид сбоку тест-полоски, изображенной на фиг.2.

На фиг.4A представлен вид сверху тест-полоски, изображенной на фиг.3.

На фиг.4B представлен частичный вид сбоку проксимальной части тест-полоски, изображенной на фиг.4A.

На фиг.5 представлена упрощенная схема, показывающая измерительный прибор, электрически взаимодействующий с частями тест-полоски, раскрываемой в настоящем документе.

На фиг.6A представлен пример трехимпульсного профиля потенциала, приложенного изображенным на фиг.5 измерительным прибором к рабочему электроду и противоэлектроду на заданные промежутки времени.

На фиг.6B представлен переходный ток CT, генерируемый при измерении физиологического образца.

На фиг.7A, 7B, 7C, 7D и 7E представлен тестовый ток, измеренный с увеличением времени в переходном токе CT, в зависимости от температуры для демонстрации корреляции между измеренным током и температурой в зависимости от момента измерения выходного тока на полоске.

На фиг.8 представлен график зависимости значений тестового тока, измеренных через 1 секунду, от температуры для образцов с низкой, средней или высокой концентрацией глюкозы.

На фиг.9A представлен график значений тока, измеренных в момент или перед моментом переключения с первого напряжения на второе напряжение (например, через 1 секунду или раньше).

На фиг.9B представлен график значений тока, измеренных после переключения с первого напряжения на второе напряжение (например, через приблизительно 1,1 секунды).

На фиг.10 представлен график нескомпенсированной погрешности относительно стандарта YSI для результатов измерения глюкозы, рассчитанных с использованием раскрываемого в настоящем изобретении способа без температурной компенсации, в сравнении с данными для того же образца, проанализированными с учетом температурной компенсации для глюкозы.

На фиг.11 представлен пример способа измерения глюкозы в крови с применением системы, раскрываемой в настоящем изобретении.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Приведенное ниже подробное описание следует изучать с учетом фигур, на которых одинаковые элементы представлены под одинаковыми номерами. Приведенные фигуры, не обязательно выполненные в масштабе, показывают выбранные варианты осуществления и не призваны ограничить объем настоящего изобретения. Подробное описание раскрывает принципы настоящего изобретения с помощью примеров, которые не ограничивают объем настоящего изобретения. Настоящее описание, несомненно, позволит специалисту в данной области осуществлять и использовать настоящее изобретение, а также дает представление о нескольких вариантах осуществления, видоизменениях, модификациях, альтернативах и вариантах применения изобретения, включая способ осуществления изобретения, который на настоящий момент считается наилучшим.

Для целей настоящего изобретения термин «приблизительно» применительно к любым числовым значениям или диапазонам указывает на приемлемый допуск на размер, который позволяет части или совокупности компонентов выполнять функцию, предусмотренную в настоящем документе. Кроме этого, для целей настоящего изобретения термины «пациент», «оператор», «пользователь» и «субъект» относятся к любому человеку или животному и не ограничивают область использования систем или способов только людьми, хотя использование предмета изобретения пациентами, которые являются людьми, является предпочтительным вариантом осуществления изобретения.

На фиг.1A показана система контроля диабета, включающая измерительный прибор 10 и биосенсор в форме тест-полоски для определения уровня глюкозы 62. Следует отметить, что измерительный прибор (блок измерения) может также называться блоком измерения аналита и контроля аналита, глюкометром, измерительным прибором и устройством для измерения аналита. В одном варианте осуществления блок измерения может быть совмещен с устройством для введения инсулина, дополнительным устройством для определения аналита и устройством для введения лекарственного препарата. Блок измерения может быть соединен с удаленным компьютером или удаленным сервером через кабель или с использованием соответствующей технологии беспроводной связи, такой как, например, GSM, CDMA, Bluetooth, WiFi и т.п.

Как показано на фиг.1A, глюкометр или блок измерения 10 может включать в себя корпус 11, кнопки интерфейса пользователя (16, 18 и 20), дисплей 14 и отверстие порта для полоски 22. Кнопки интерфейса пользователя (16, 18 и 20) могут быть выполнены с возможностью ввода данных, навигации по меню и выполнения команд. Кнопка интерфейса пользователя 18 может иметь форму двухпозиционного переключателя. Данные могут включать значения, представляющие концентрацию аналита, и/или информацию, которая имеет отношение к повседневной жизни пользователя. Информация, которая имеет отношение к повседневной жизни пользователя, может включать объем принимаемой пищи, использование лекарственных препаратов, проводимые медицинские осмотры, а также общее состояние здоровья и уровни физической нагрузки пользователя. Электронные компоненты измерительного прибора 10 могут быть расположены на печатной плате 34, находящейся внутри корпуса 11.

На фиг.1B показаны (в упрощенном схематическом виде) электронные компоненты, расположенные на верхней поверхности печатной платы 34. Электронные компоненты на верхней поверхности включают в себя разъем порта для полоски 22, схему на операционном усилителе 35, микроконтроллер 38, разъем дисплея 14a, ПЗУ 40, тактовый генератор 42 и первый беспроводной модуль 46. Электронные компоненты на нижней поверхности могут включать в себя разъем для батареи (не показан) и порт передачи данных 13. Микроконтроллер 38 может быть электрически соединен с разъемом порта для полоски 22, схемой на операционном усилителе 35, первым беспроводным модулем 46, дисплеем 14, ПЗУ 40, тактовым генератором 42, батареей, портом передачи данных 13 и кнопками интерфейса пользователя (16, 18 и 20).

Схема на операционном усилителе 35 может включать в себя два или более операционных усилителей, выполненных с возможностью обеспечения части функции стабилизации напряжения и функции измерения тока. Функция стабилизации напряжения может означать приложение тестового напряжения между по меньшей мере двумя электродами тест-полоски. Функция измерения тока может означать измерение тестового тока, возникающего в результате приложения тестового напряжения. Измерение тока можно осуществлять с помощью преобразователя ток-напряжение. Микроконтроллер 38 может быть выполнен в виде микропроцессора комбинированного типа (MSP), такого как, например, Texas Instrument MSP 430. Микропроцессор TI-MSP 430 может также быть выполнен с возможностью выполнения части функции стабилизации напряжения и функции измерения тока. Кроме того, в состав MSP 430 также может входить энергозависимое ЗУ и ПЗУ. В другом варианте осуществления многие из электронных компонентов могут быть интегрированы вместе с микроконтроллером в виде специализированной интегральной микросхемы (ASIC).

Разъем порта для полоски 22 может быть выполнен с возможностью осуществления электрического соединения с тест-полоской. Разъем дисплея 14a может быть выполнен с возможностью подключения дисплея 14. Дисплей 14 может представлять собой жидкокристаллический дисплей для отображения измеренных уровней глюкозы и для облегчения ввода информации, относящейся к образу жизни пациента. Дисплей 14 может необязательно включать фоновую подсветку. Порт передачи данных 13 может допускать подключение соответствующего разъема к соединительному кабелю, что позволяет подключить глюкометр 10 к внешнему устройству, такому как персональный компьютер. Порт передачи данных 13 может представлять собой любой порт, позволяющий осуществлять передачу данных, такой как, например, последовательный порт, порт USB или параллельный порт. Тактовый генератор 42 может быть выполнен с возможностью отсчета текущего времени, привязанного к географическому району расположения пользователя, а также измерения времени. Блок измерения может быть выполнен с возможностью электрического соединения с источником питания, таким как, например, батарея.

На фиг.1C-1E, 2, 3 и 4B показаны разные виды примера тест-полоски 62, допустимой для использования в способах и системах, описываемых в настоящем документе. В одном примере осуществления предлагается тест-полоска 62, имеющая удлиненный корпус, проходящий от дистального конца 80 к проксимальному концу 82 и имеющий поперечные ребра 56, 58, как показано на фиг.1C. Как показано на фиг.1D, тест-полоска 62 также включает в себя первый электродный слой 66, второй электродный слой 64 и разделитель 60, расположенный в промежутке между двумя электродными слоями 64 и 66. Первый электродный слой 66 может включать в себя первый электрод 66, первый соединительный проводник 76 и первую контактную площадку 67, при этом первый соединительный проводник 76 электрически соединяет первый электрод 66 с первой контактной площадкой 67, как показано на фиг.1D и 4B. Следует отметить, что первый электрод 66 является частью первого электродного слоя 66, располагающегося непосредственно под слоем реагента 72, как указано на фиг.1D и 4B. Аналогичным образом, второй электродный слой 64 может включать в себя второй электрод 64, второй соединительный проводник 78 и вторую контактную площадку 63, при этом второй соединительный проводник 78 электрически соединяет второй электрод 64 со второй контактной площадкой 63, как показано на фиг.1D, 2 и 4B. Следует отметить, что второй электрод 64 является частью второго электродного слоя 64, располагающегося над слоем реагента 72, как указано на фиг.4B. Для целей настоящего изобретения термины «электродный слой» и «электрод» используются взаимозаменяемо и относятся к общей охватывающей электрод области или к конкретному месту размещения электрода.

Как показано на фиг.1D и 4B, камера для приема образца 61 образована первым электродом 66, вторым электродом 64 и разделителем 60 у дистального конца 80 тест-полоски 62. Первый электрод 66 и второй электрод 64 могут образовывать нижнюю и верхнюю стороны камеры для приема образца 61, соответственно, как показано на фиг.4B. Вырезанный участок 68 разделителя 60 может образовывать боковые стенки камеры для приема образца 61, как показано на фиг.4B. В одном аспекте камера для приема образца 61 может включать в себя порты 70, которые обеспечивают поступление образца и/или проход воздуха, как показано на фиг.1C-1E. Например, один из портов может быть предназначен для поступления жидкого образца, а другой порт может обеспечивать выход воздуха.

В одном примере осуществления камера для приема образца 61 (или измерительная ячейка или измерительная камера) может иметь небольшой объем. Например, камера 61 может иметь объем в диапазоне от приблизительно 0,1 микролитра до приблизительно 5 микролитров, от приблизительно 0,2 микролитра до приблизительно 3 микролитров или, предпочтительно, от приблизительно 0,3 микролитра до приблизительно 1 микролитра. Для получения небольшого объема образца вырезанный участок 68 может иметь площадь в диапазоне от приблизительно 0,01 см² до приблизительно 0,2 см², от приблизительно 0,02 см² до приблизительно 0,15 см² или, предпочтительно, от приблизительно 0,03 см² до приблизительно 0,08 см². Кроме того, первый электрод 66 и второй электрод 64 могут находиться друг от друга на расстоянии в диапазоне от приблизительно 1 микрона до приблизительно 500 микрон, предпочтительно в диапазоне от приблизительно 10 микрон до приблизительно 400 микрон и более предпочтительно в диапазоне от приблизительно 40 микрон до приблизительно 200 микрон. Относительно близкое расположение электродов может также создать возможность для протекания окислительно-восстановительного цикла, когда генерируемый у первого электрода 66 окисленный медиатор может диффундировать ко второму электроду 64 для восстановления и затем диффундировать обратно к первому электроду 66 для повторного окисления. Специалисты в данной области определят, что различные объемы, площади и/или межэлектродные расстояния находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения.

В одном варианте осуществления первый электродный слой 66 и второй электродный слой 64 могут представлять собой проводящий материал, изготовленный из такого материала, как золото, палладий, углерод, серебро, платина, оксид олова, иридий, индий или их комбинации (например, допированного индием оксида олова). Кроме того, электроды могут быть изготовлены путем нанесения проводящего материала на изолирующий лист (на фигуре не показано) путем напыления, химического осаждения или трафаретной печати. В одном примере осуществления первый электродный слой 66 и второй электродный слой 64 могут быть изготовлены из напыленного палладия и напыленного золота, соответственно. Допустимые материалы для использования в качестве разделителя 60 включают в себя различные изолирующие материалы, такие как, например, пластмасса (в частности, ПЭТ, ПЭТГ, полиимид, поликарбонат, полистирол), оксид кремния, керамика, стекло, адгезивы и их комбинации. В одном варианте осуществления разделитель 60 может быть выполнен в форме двухстороннего адгезива, нанесенного на противолежащие стороны листа полиэфира, при этом адгезив может быть чувствительным к давлению или термоактивируемым. Заявители отмечают, что различные иные материалы для изготовления первого электродного слоя 66, второго электродного слоя 64 и/или разделителя 60 находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения.

Либо первый электрод 66, либо второй электрод 64 могут выполнять функцию рабочего электрода в зависимости от величины и/или полярности приложенного тестового напряжения. Рабочий электрод может измерять предельный тестовый ток, пропорциональный концентрации восстановленного медиатора. Например, если токоограничивающим носителем является восстановленный медиатор (например, ферроцианид), то он может быть окислен на первом электроде 66, при условии что тестовое напряжение относительно второго электрода 64 в достаточной степени превышает окислительно-восстановительный потенциал медиатора. В такой ситуации первый электрод 66 выполняет функцию рабочего электрода, а второй электрод 64 - функцию противоэлектрода/контрольного электрода. Заявители отмечают, что противоэлектрод/контрольный электрод можно называть просто контрольным электродом или противоэлектродом. Когда весь восстановленный медиатор у поверхности рабочего электрода исчерпан, окисление ограничивается, таким образом, измеряемый ток окисления пропорционален потоку восстановленного медиатора, диффундирующего из объема раствора к поверхности рабочего электрода. Термин «объем раствора» относится к части раствора, расположенной достаточно далеко от рабочего электрода, когда восстановленный медиатор не находится в пределах обедненной зоны. Следует отметить, что, если не указано иное, для тест-полоски 62 все потенциалы измерительного прибора 10 далее указаны относительно второго электрода 64.

Аналогичным образом, если тестовое напряжение значительно ниже, чем окислительно-восстановительный потенциал медиатора, восстановленный медиатор может окисляться у второго электрода 64, давая предельный ток. В такой ситуации второй электрод 64 выполняет функцию рабочего электрода, а первый электрод 66 - функцию противоэлектрода/контрольного электрода.

Исходно процедура проведения анализа может включать введение некоторого количества жидкого образца в камеру для приема образца 61 через порт 70. В одном аспекте порт 70 и/или камера для приема образца 61 могут быть выполнены с возможностью заполнения камеры для приема образца 61 жидким образцом под действием капиллярных сил. Первый электрод 66 и/или второй электрод 64 могут быть покрыты слоем гидрофильного реагента для повышения капиллярности камеры для приема образца 61. Например, на первый электрод и/или на второй электрод могут быть нанесены тиол-дериватизированные реагенты с гидрофильным фрагментом, таким как 2-меркаптоэтансульфоновая кислота.

Продолжая анализ вышеуказанной полоски 62, слой реагента 72 может включать в себя глюкозодегидрогеназу (GDH) на основе кофактора PQQ и феррицианид. В другом варианте осуществления фермент GDH на основе кофактора PQQ может быть заменен на фермент GDH на основе кофактора FAD. При дозировании крови или контрольного раствора в реакционную камеру образца 61 происходит окисление глюкозы ферментом GDH_(ox) с одновременным превращением GDH_(ox) в GDH_(red), как показано на схеме химических превращений T.1 ниже. Следует отметить, что GDH_(ox) означает окисленное состояние GDH, а GDH_(red) означает восстановленное состояние GDH.

T.1 D-глюкоза+GDH_(ox)→глюконовая кислота+GDH_(red)

Затем GDH_(red) регенерируется обратно в свое активное окисленное состояние феррицианидом (т.е. окисленным медиатором или Fe(CN)₆ ^3-), как показано на схеме химических превращений T.2 ниже. В процессе регенерации GDH_(ox) в результате реакции происходит образование ферроцианида (т.е. восстановленного медиатора или Fe(CN)₆ ^4-), как показано на схеме T.2:

T.2 GDH_(red)+2Fe(CN)₆ ^3-→GDH_(ox)+2Fe(CN)₆ ^4-

На фиг.5 приведено упрощенное схематическое изображение измерительного прибора 100, взаимодействующего с первой контактной площадкой 67a, 67b и второй контактной площадкой 63. Вторую контактную площадку 63 можно использовать для установления электрического соединения с измерительным прибором через U-образный вырез 65, как показано на фиг.2. В одном варианте осуществления измерительный прибор 100 может включать в себя разъем 101 второго электрода и разъемы (102a, 102b) первого электрода, блок 106 тестового напряжения, блок 107 измерения тока, процессор 212, блок 210 памяти и дисплей 202, как показано на фиг.5. Первая контактная площадка 67 может иметь два выступа, обозначенных 67a и 67b. В одном примере осуществления разъемы 102a и 102b первого электрода по отдельности соединены с выступами 67a и 67b соответственно. Разъем 101 второго электрода может соединяться со второй контактной площадкой 63. Измерительный прибор 100 может измерять сопротивление или целостность электрической цепи между выступами 67a и 67b для определения наличия электрического соединения между тест-полоской 62 и измерительным прибором 10.

В одном варианте осуществления измерительный прибор 100 может прикладывать тестовое напряжение и/или ток между первой контактной площадкой 67 и второй контактной площадкой 63. Как только измерительный прибор 100 распознает вставленную полоску 62, измерительный прибор 100 включается и переходит в режим обнаружения жидкости. В одном варианте осуществления при переходе в режим обнаружения жидкости измерительный прибор 100 пропускает постоянный ток величиной приблизительно 1 микроампер между первым электродом 66 и вторым электродом 64. Поскольку изначально тест-полоска 62 находится в сухом состоянии, измерительный прибор 10 фиксирует относительно большое напряжение. Когда жидкий образец заполнит зазор между первым электродом 66 и вторым электродом 64 в процессе дозирования, измерительный прибор 100 измерит падение измеряемого напряжения ниже предварительно определенного порогового значения, что приведет к автоматическому запуску процедуры измерения глюкозы измерительным прибором 10.

В одном варианте осуществления измерительный прибор 100 может провести измерение глюкозы путем приложения множества тестовых напряжений в течение заданных промежутков времени, как показано на фиг.6A. Множество тестовых напряжений может включать в себя первое тестовое напряжение E1 в течение первого промежутка t₁ времени, второе тестовое напряжение E2 в течение второго промежутка t₂ времени и третье тестовое напряжение E3 в течение третьего промежутка t₃ времени. Третье напряжение E3 может отличаться по величине электродвижущей силы, полярности или по комбинациям обоих признаков от второго тестового напряжения E2. В предпочтительных вариантах осуществления E3 может быть равным по величине E2, но иметь противоположную полярность. Промежуток t_G времени измерения глюкозы представляет собой количество времени, требуемое для выполнения измерения глюкозы (но не обязательно всех вычислений, связанных с измерением глюкозы). Промежуток t_G времени измерения глюкозы может находиться в диапазоне от приблизительно 1 секунды до приблизительно 5 секунд. Далее, как показано на фиг.6A, второе тестовое напряжение E2 может включать компоненту постоянного (DC) тестового напряжения и наложенную на нее компоненту переменного (AC) или альтернативно колебательного тестового напряжения. Наложенная компонента переменного или колебательного тестового напряжения может быть приложена в течение промежутка времени, указанного как t_cap.

Множество значений тестового тока, измеренных в течение любого из промежутков времени, может производиться с частотой в диапазоне от приблизительно 1 измерения в микросекунду до приблизительно одного измерения за 100 миллисекунд. Хотя описывается вариант осуществления с последовательным использованием трех тестовых напряжений, измерение глюкозы может включать в себя иное количество напряжений разомкнутой цепи и тестовых напряжений. Например, в альтернативном варианте осуществления измерение глюкозы может включать в себя напряжение разомкнутой цепи в течение первого промежутка времени, второе тестовое напряжение в течение второго промежутка времени и третье тестовое напряжение в течение третьего промежутка времени. Следует отметить, что обозначения «первый», «второй» и «третий» выбраны для удобства и не обязательно отражают порядок приложения тестовых напряжений. Например, в варианте осуществления может использоваться профиль потенциала, в котором третье тестовое напряжение может быть приложено до приложения первого и второго тестовых напряжений.

После запуска измерения глюкозы измерительный прибор 10 может приложить первое тестовое напряжение E1 (например, приблизительно 20 мВ на фиг.6A) в течение первого промежутка t₁ времени (например, 1 секунда на фиг.6A). Первый промежуток t₁ времени может находиться в диапазоне от приблизительно 0,1 секунды до приблизительно 3 секунд, предпочтительно в диапазоне от приблизительно 0,2 секунды до приблизительно 2 секунд и наиболее предпочтительно в диапазоне от приблизительно 0,3 секунды до приблизительно 1 секунды.

Первый промежуток t₁ времени может быть достаточным для полного заполнения образцом камеры 61 для приема образца и также для по меньшей мере частичного растворения или сольватирования слоя 72 реагента. В одном аспекте первое тестовое напряжение E1 может иметь величину, относительно близкую к величине окислительно-восстановительного потенциала медиатора, так что измеряется относительно небольшая величина тока восстановления или окисления. На фиг.6B показано, что на протяжении первого промежутка t₁ времени наблюдается относительно небольшая величина тока по сравнению со вторым и третьим промежутками времени t₂ и t₃. Например, при использовании в качестве медиатора феррицианида и/или ферроцианида первое тестовое напряжение E1 на фиг.6A может находиться в диапазоне от приблизительно 1 мВ до приблизительно 100 мВ, предпочтительно в диапазоне от приблизительно 5 мВ до приблизительно 50 мВ и наиболее предпочтительно в диапазоне от приблизительно 10 мВ до приблизительно 30 мВ. Хотя в предпочтительных вариантах осуществления прикладываемые напряжения указываются как положительные величины, те же по величине отрицательные напряжения также могут использоваться для достижения целей заявленного изобретения.

После приложения первого тестового напряжения E1 измерительный прибор 10 прикладывает второе тестовое напряжение E2 между первым электродом 66 и вторым электродом 64 (например, приблизительно 300 мВ на фиг.6A) в течение второго промежутка t₂ времени (например, приблизительно 3 секунды на фиг.6A). Второе тестовое напряжение E2 может иметь достаточно большое отрицательное значение по сравнению с окислительно-восстановительным потенциалом медиатора, чтобы измерить предельный ток окисления на втором электроде 64. Например, при использовании в качестве медиатора феррицианида и/или ферроцианида величина второго тестового напряжения E2 может находиться в диапазоне от приблизительно нуля мВ до приблизительно 600 мВ, предпочтительно в диапазоне от приблизительно 100 мВ до приблизительно 600 мВ и более предпочтительно составляет приблизительно 300 мВ.

Второй промежуток t₂ времени должен быть достаточным для возможности наблюдения скорости генерации восстановленного медиатора (например, ферроцианида) по величине предельного тока окисления. Восстановленный медиатор генерируется ферментативными реакциями в слое 72 реагента. В течение второго промежутка t₂ времени ограниченное количество восстановленного медиатора окисляется на втором электроде 64 и неограниченное количество окисленного медиатора восстанавливается на первом электроде 66 с формированием градиента концентрации между первым электродом 66 и вторым электродом 64.

В примере осуществления второй промежуток t₂ времени также должен быть достаточным для генерации или диффундирования достаточного количества феррицианида на втором электроде 64. На втором электроде 64 должно быть достаточное количество феррицианида, чтобы во время приложения третьего тестового напряжения E3 было возможно измерение предельного тока для окисления ферроцианида на первом электроде 66. Второй промежуток t₂ времени может быть менее приблизительно 60 секунд, предпочтительно в диапазоне от приблизительно 1 секунды до приблизительно 10 секунд и более предпочтительно в диапазоне от приблизительно 2 секунд до приблизительно 5 секунд. Аналогичным образом, промежуток времени, отмеченный как t_cap на фиг.6A, также может находиться в промежутке допустимых значений, но в одном примере осуществления его продолжительность составляет приблизительно 20 миллисекунд. В одном примере осуществления наложенная компонента переменного тестового напряжения прикладывается через приблизительно 0,3-0,4 секунды после приложения второго тестового напряжения E2 и индуцирует синусоидальную волну с частотой приблизительно 109 Гц и амплитудой приблизительно ±50 мВ.

На фиг.6B показан относительно небольшой пик i_pb после начала второго промежутка t₂ времени с последующим постепенным нарастанием абсолютной величины тока окисления в течение второго промежутка t₂ времени. Небольшой пик i_pb возникает из-за первоначального истощения восстановленного медиатора после переключения с первого напряжения E1 на второе напряжение E2, показанного линией T_L переключения. Затем следует постепенное уменьшение абсолютной величины тока окисления после небольшого пика i_pb, вызванное генерацией ферроцианида в слое 72 реагента, который затем диффундирует ко второму электроду 64.

После приложения второго тестового напряжения E2 измерительный прибор 10 прилагает третье тестовое напряжение E3 между первым электродом 66 и вторым электродом 64 (например, приблизительно -300 мВ на фиг.6A) в течение третьего промежутка t₃ времени (например, 1 секунда на фиг.6A). Третье тестовое напряжение E3 может иметь достаточно большое положительное значение по сравнению с окислительно-восстановительным потенциалом медиатора, чтобы измерить предельный ток окисления на первом электроде 66. Например, при использовании в качестве медиатора феррицианида и/или ферроцианида третье тестовое напряжение E3 может находиться в диапазоне от приблизительно нуля мВ до приблизительно -600 мВ, предпочтительно в диапазоне от приблизительно -100 мВ до приблизительно -600 мВ и более предпочтительно составляет приблизительно -300 мВ.

Третий промежуток t₃ времени может быть достаточным для возможности наблюдения диффузии восстановленного медиатора (например, ферроцианида) вблизи первого электрода 66 по величине тока окисления. В течение третьего промежутка t₃ времени ограниченное количество восстановленного медиатора окисляется на первом электроде 66 и неограниченное количество окисленного медиатора восстанавливается на втором электроде 64. Третий промежуток t₃ времени может находиться в диапазоне от приблизительно 0,1 секунды до приблизительно 5 секунд, предпочтительно в диапазоне от приблизительно 0,3 секунды до приблизительно 3 секунд и более предпочтительно в диапазоне от приблизительно 0,5 секунды до приблизительно 2 секунд.

На фиг.6B показан относительно большой пик i_pc в начале третьего промежутка t₃ времени с последующим уменьшением до установившегося значения тока i_ss. В одном варианте осуществления второе тестовое напряжение E2 может быть первой полярности, а третье тестовое напряжение E3 может быть второй полярности, которая противоположна первой полярности. В другом варианте осуществления второе тестовое напряжение E2 может иметь достаточно большое отрицательное значение по сравнению с окислительно-восстановительным потенциалом медиатора, и третье тестовое напряжение E3 может иметь достаточно большое положительное значение по сравнению с окислительно-восстановительным потенциалом медиатора. Третье тестовое напряжение E3 может быть приложено сразу после второго тестового напряжения E2. Однако специалист в данной области определит, что величину и полярность второго и третьего тестовых напряжений можно выбирать в зависимости от способа определения концентрации аналита.

Концентрация глюкозы в крови может быть определена на основе величин тестового тока. Первая концентрация G₁ глюкозы может быть рассчитана с использованием алгоритма измерения глюкозы, приведенного в уравнении 1:

Ур. 1_ $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ ,

где i₁ представляет собой величину первого тестового тока,

i₂ представляет собой величину второго тестового тока,

i₃ представляет собой величину третьего тестового тока, и

параметры a, p и z могут представлять собой калибровочные константы, полученные эмпирическим способом.

Во всех величинах тестового тока (т.е. i₁, i₂ и i₃) в уравнении 1 используются абсолютные величины тока. Величину i₁ первого тестового тока и величину i₂ второго тестового тока каждую можно определить усреднением или суммированием одного или более предварительно определенных величин тестового тока в течение третьего промежутка t₃ времени. Параметр i₂ представляет собой величину второго тока, которая рассчитывается на основе величины i₄ четвертого тока, величины i₅ пятого тока и величины i₆ шестого тока, все из которых измеряют в течение третьего промежутка времени. Величина i₃ третьего тестового тока может быть определена усреднением или суммированием одного или более предварительно определенных величин тестового тока в течение второго промежутка t₂ времени. Специалист в данной области определит, что обозначения «первый», «второй» и «третий» выбраны для удобства и не обязательно отражают порядок расчета величин тока. Вывод уравнения 1 приведен в патенте США № 7749371, выданном 6 июля 2010 г., который был подан 30 сентября 2005 г. и озаглавлен «Способ и устройство для быстрого электрохимического анализа», содержание которого полностью включено в настоящую заявку путем ссылки.

Как показано на фиг.6A и 6B, пиковый ток (фиг.6B), наблюдаемый после начала (т.е. после линии T_L переключения) промежутка t₂ времени второго тестового потенциала (фиг.6A), может быть обозначен как i_pb, а пиковый ток, наблюдаемый в начале промежутка t₃ времени третьего тестового потенциала (фиг.6A) может быть обозначен как i_pc. Уравнение 2 описывает связь между первым переходным током CT и вторым переходным током CT при тестировании тест-полоски 62 с образцом, содержащим фоновые вещества и не содержащим глюкозы.

Ур. 2 $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ i_pc-2i_pb=-i_ss

Поскольку, как правило, в течение первого периода t₁ времени в образце нет глюкозы, считается, что в слое 72 реагента не происходит генерация существенного количества восстановленного медиатора. Поэтому переходные токи в этих условиях будут отражать только окисление фоновых веществ. Считается, что на ранних промежутках временной шкалы в районе 1,0 секунды в слое 72 реагента не происходит генерации значительного количества восстановленного медиатора в связи с реакцией с глюкозой. Кроме того, считается, что генерируемый восстановленный медиатор в основном остается вблизи первого электрода 66, где был изначально нанесен слой 72 реагента; при этом его значительной диффузии ко второму электроду 64 не происходит. Поэтому величина i_pb в основном приписывается окислению фоновых веществ на втором электроде 64, что дает прямой ток фоновых веществ.

Через некоторое время после приложения к полоске третьего напряжения E3 (например, приблизительно -300 мВ), в районе 4,1 секунды, в слое 72 реагента действительно генерируется значительное количество восстановленного медиатора на первом электроде 66 в присутствии глюкозы в связи с реакцией с глюкозой. Значительное количество восстановленного медиатора может также быть сгенерировано в результате возможного окисления фонового вещества окисленным медиатором. Как отмечалось ранее, восстанавливающее окисленный медиатор фоновое вещество способствует появлению тока, который можно назвать косвенным током. Кроме того, фоновые вещества также могут окисляться непосредственно на первом электроде 66, в результате чего появляется так называемый прямой ток. Применительно к ситуации, в которой медиатор может быть окислен на рабочем электроде, можно считать, что сумма прямого тока окисления и косвенного тока окисления приблизительно равна прямому току окисления, который можно было бы измерить в отсутствие находящегося на рабочем электроде окисленного медиатора. Итого величина i_pb приписывается и прямому, и косвенному окислению фоновых веществ, а также реакции глюкозы на одном из первого электрода 66 или второго электрода 64. Поскольку было выяснено, что i_pb обусловлено в основном фоновыми веществами, i_pc можно использовать совместно с i_pb для определения коэффициента коррекции. Например, как показано ниже, i_pb можно использовать в математической функции вместе с i_pc для определения скорректированной величины тока i_2(Corr), которая пропорциональна уровню глюкозы и менее чувствительна к присутствию фоновых веществ:

Ур. 3 $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Уравнение 3 было получено эмпирически для расчета величины тока i_2(Corr), которая пропорциональна уровню глюкозы и из которой вычтена соответствующая доля тока, приписываемая фоновым веществам. Параметр i_ss был введен и в числитель, и в знаменатель, чтобы обеспечить стремление числителя к нулю в отсутствие глюкозы. Определение установившегося тока i_ss после приложения второго электрического потенциала подробно описано в совместно рассматриваемой заявке на патент № 11/278341, которая включена в настоящий документ путем ссылки. Некоторые примеры способов расчета i_ss можно найти в патентах США № 5942102 и 6413410, каждый из которых полностью включен в настоящий документ путем ссылки.

Возвращаясь обратно к уравнению 1, уравнение 3 может быть представлено через параметры i₁, i₃ и i₂ на основе результатов измерения тока i₄, i₅, i₆ и i₇ как уравнение 4:

Ур.4 $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

где, как и ранее, i₂ представляет собой величину второго тока, которая рассчитывается на основе величины i₄ четвертого тока, величины i₅ пятого тока и величины i₆ шестого тока, все из которых измеряют в течение третьего промежутка t₃ времени, и величины i₇, которая в одном варианте осуществления представляет собой величину седьмого тока, которую измеряют в течение первого промежутка t₁ времени, а b и F представляют собой эмпирически полученные константы. Временные окна для каждого измерения тока описаны ниже.

Данный способ введения поправки на присутствие фоновых веществ в аналите может быть развит далее для учета эффектов, связанных с колебаниями температуры. В одном примере осуществления i₇ может быть величиной тестового тока, измеренной на промежутке времени в ходе линейного изменения с первого напряжения E1 до второго напряжения, который в данном тесте для удобства соответствует приблизительно 1,0 секунде. Хотя данный линейно изменяющийся ток i₇ наблюдали как изменение тока на промежутке времени при линейном изменении с первого напряжения E1 до второго напряжения E2 на линии T_L переключения, линейно изменяющийся ток i₇ можно измерить в момент времени в пределах соответствующего диапазона, и его определяют как ток, измеряемый в процессе линейного изменения с первого напряжения E1 на второе напряжение E2 (от 0,7 секунды до почти 1,1 секунды на фиг.6B), а не как ток, измеряемый после полного переключения с первого напряжения E1 на второе напряжение E2 (после линии T_L переключения или приблизительно 1,1 секунды или более секунд на фиг.6B). В предпочтительном варианте осуществления и для упрощения расчетов заявители выбрали величину линейно изменяющегося тока i₇ как величину тестового тока, измеряемую в момент измерения, равный 1,0 секунде после начала переходного тока, вызванного изменением напряжений с E1 до E2, но должно быть ясно, что величина линейно изменяющегося тока i₇ может изменяться в зависимости от конкретной конфигурации соответствующей тест-полоски.

Уравнение 4 можно изменить для получения еще более точной концентрации глюкозы. Вместо использования простого усреднения суммарного значения тестовых токов, параметр i₁ можно определить как включающий пиковые величины i_pb и i_pc токов и установившийся ток i_ss, как показано в уравнении 5, которое аналогично уравнению 3:

Ур.5 $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ ,

где расчет установившегося тока i_ss может основываться на математической модели, экстраполяции, среднем значении в предварительно определенном промежутке времени, их комбинации или любом другом способе расчета установившегося тока.

В альтернативном варианте осуществления i_ss можно оценить путем умножения величины тестового тока в момент времени 5 секунд на константу K₈ (например, 0,678). Таким образом, i_ss≈i(5)×K₈. Параметр K₈ можно оценить с помощью уравнения 6:

Ур.6 $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

где число 0,975 приблизительно равно времени в секундах после приложения третьего тестового напряжения E3, что соответствует току в момент времени приблизительно 5 секунд для конкретного варианта осуществления полоски 62, который, предполагая линейное изменение с течением времени в диапазоне от приблизительно 0,95 секунды до 1 секунды, представляет собой средний ток на промежутке времени от 0,95 до 1 секунды, при этом предполагается, что параметр D равен приблизительно 5×10^-6 см²/с и соответствует типичному коэффициенту диффузии в крови, а параметр L равен приблизительно 0,0095 см, что соответствует высоте разделителя 60.

Возвращаясь снова к уравнению 3, i_pc может представлять собой величину тестового тока в момент времени приблизительно 4,1 секунды, а i_pb может представлять собой величину тестового тока в момент времени приблизительно 1,1 секунды, исходя из профилей тестового напряжения и тестового тока, показанных на фиг.6A и 6B.

Возвращаясь к уравнению 1, i₂ можно определить как , а i₃ можно определить как .

Уравнение 3 можно объединить с уравнениями 1 и 2 и получить уравнение для более точного определения концентрации глюкозы, в котором может быть скомпенсировано присутствие эндогенных и/или экзогенных фоновых веществ в образце крови, как показано в уравнении 7:

Ур.7 $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

где первая концентрация G₁ глюкозы представляет собой результат работы алгоритма измерения глюкозы в крови, и параметры a, p и z представляют собой константы, которые могут быть определены эмпирически с использованием промышленных образцов тест-полоски.

Выбор промежутков времени, на которых можно рассчитывать i₁, i₃ и i₂, описан в совместно рассматриваемой публикации заявки на патент № 2007/0227912, озаглавленной «Способ и устройство для анализа образца в присутствии фоновых веществ», а способы калибровки партий полосок описаны в патенте США № 6780645, которые оба полностью включены в настоящую заявку путем ссылки.

В предпочтительном варианте осуществления концентрацию глюкозы G₁ в уравнении 7 определяют по уравнению 8, в котором используют величину тока i_2(Corr) (которая пропорциональна уровню глюкозы и из которой вычтена соответствующая доля тока, приписываемая фоновым веществам):

Ур.8 $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ ;

где

Ур.8.1 $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ ; и

a, b, p и zgr представляют собой технологические параметры.

В альтернативном варианте осуществления, показанном и описанном в совместно рассматриваемой публикации патента США № 2009/0301899 (далее именуемой «заявка '899»), ток i_pb выбран как ток, измеренный, когда приложенное к электродам напряжение превышает 20 мВ, и составляет приблизительно 300 мВ. Как следствие, в варианте осуществления из заявки '899 ток измеряется (на фиг.6B) при приложении напряжения, равного 300 мВ (на фиг.6A). Таким образом, система фиксирует текущее выходное значение тока i_pb в момент времени приблизительно 1,1 секунды для получения гарантированной величины приложенного напряжения приблизительно 300 мВ. При использовании тока i_pb в момент времени приблизительно 1,1 секунды заявители были вынуждены вводить компенсацию на влияние окружающей температуры на тест-полоску 62. Поскольку для величины G₁ концентрации глюкозы необходимо учитывать температурную компенсацию, заявители будут далее ссылаться на данный вариант осуществления, показанный и описанный в заявке '899, как вариант «с обязательной температурной компенсацией концентрации глюкозы».

В данном расчете с обязательной температурной компенсацией концентрации глюкозы i_pb представляет собой ток, измеренный в момент времени приблизительно 1,1 секунды; i_pc представляет собой ток, измеренный на электродах полоски 62 в момент времени приблизительно 4,1 секунды; i_ss представляет собой ток, измеренный в момент времени приблизительно 5 секунд. Для упрощения обозначений уравнение 8.1 для данного расчета с обязательной температурной компенсацией концентрации глюкозы может быть представлено в следующих обозначения как уравнение 8.2:

Ур.8.2 $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Заявители обнаружили, что, если ток i_pb измерять тогда, когда приложенное к полоске напряжение (фиг.6A) составляет менее 300 мВ (предпочтительно менее 100 мВ и наиболее предпочтительно приблизительно 20 мВ), то влияние окружающей температуры на реакцию с глюкозой оказывается значительно ослабленным. Особенно неожиданным для заявителей оказалось открытие, что после некоторой выдержки при приложенном напряжении приблизительно 20 мВ и до скачкообразного подъема тестового напряжения до 300 мВ измеренный ток на данном промежутке времени (обозначен i_pa вместо i_pb на фиг.6B) позволяет определять концентрацию глюкозы без необходимости учитывать температурную компенсацию, связанную с влиянием окружающей температуры на электрохимическую реакцию, протекающую на полоске 62.

Как следствие, в предпочтительном варианте осуществления настоящей заявки измеренный ток на данном промежутке времени выбирают как измеренный ток в любой момент или перед переключением с низкого напряжения (например, 20 мВ) на более высокое напряжение (например, 300 мВ), как показано линией T_L. В силу неточной природы определения положения линии T_L переключения (когда низкое напряжение E1 переключается на более высокое напряжение E2 на фиг.6A) на переходном токе CT на фиг.6B, заявители решили измерять переходный ток в момент времени 1 секунда. Поэтому в уравнении 8.1 i_pc и i_ss имеют то же значение, что и в уравнении 8.3, но измеренный ток на промежутке t₂ времени представляет собой ток, измеренный в момент времени приблизительно 1 секунда (или в любой момент, обозначенный линией T_L переключения, или перед ним, пока приложенное напряжение остается ниже 300 мВ). Этот измеренный ток в уравнении 8.3 обозначен как i_pa и имеет коэффициент «c» масштабирования, так что для другого технологического параметра b не требуется никаких изменений.

Ур.8.3 $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Поскольку технологический параметр b по существу остается постоянным в процессе производства, после определения такого параметра b коэффициент c масштабирования в уравнении 8.3 может быть выбран в диапазоне от приблизительно 5 до приблизительно 25 (предпочтительно приблизительно 20), чтобы параметр b мог оставаться таким же, как определенный ранее в процессе производства.

Для упрощения обозначений уравнение 8.3, применительно к настоящему варианту осуществления, может быть представлено в следующих обозначениях как уравнение 8.4:

Ур.8.4 $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

Измерение тестового тока в момент, обозначенный линией T_L переключения, или перед ним (или, для упрощения расчета, в момент времени 1 секунда) в уравнении 8.3 обеспечивает величину тестового тока, которая считается более чувствительной к колебаниям температуры. Другими словами, считается, что концентрация глюкозы является по определению правильной, без необходимости дополнительной компенсации с использованием специального алгоритма наподобие раскрытого в заявке '899, где измеряемый или определяемый ток i_pb определяется в момент, обозначенный линией T_L переключения, или перед ним, когда величина приложенного напряжения составляет менее 300 мВ и предпочтительно составляет приблизительно 20 мВ. Неожиданное преимущество от измерения выходного тока i_pa до момента полного перехода на второе напряжение E2 будет теперь продемонстрировано со ссылкой на фиг.7A-7E.

На фиг.7A, 7B, 7C, 7D и 7E представлены пять отдельных графиков с результатами измерения тестовых токов в различные промежутки времени в пределах показанных на фиг.6B переходных токов, а также влияние температуры на тестовый ток. Чтобы обеспечить достаточную репрезентативность реального использования полоски, в приведенные на фиг.7A-7E данные включены образцы с концентрацией глюкозы в диапазоне от 70 мг/дл до более 500 мг/дл, полученные с использованием тест-полосок из 3 различных партий, а также нескольких доноров крови и пациентов с нормальным уровнем гематокрита. На фиг.7A, где приложенное напряжение согласно фиг.6A составляет приблизительно 20 мВ при выбранном диапазоне окружающей температуры от 0 градусов Цельсия до 40 градусов Цельсия, можно видеть, что разброс величин измеренных токов на фиг.7A составляет не более приблизительно 8 микроампер. Как показано на фиг.7B, где напряжение возбуждения согласно фиг.6A составляет приблизительно 300 мВ в температурном диапазоне, разброс величин измеренных токов (в момент времени приблизительно 2 секунды) составляет до 25 микроампер, указывая на наличие корреляции в величине измеренного тока между температурой и приложенным напряжением. Фиг.7C-7E дополнительно подтверждают такую корреляцию. Уровень корреляции между величинами тестового тока и температурой изменяется с увеличением времени в переходном токе. Измеренный или определяемый ток i_pa, определяемый в момент, обозначенный линией T_L переключения, или перед ним (в момент времени 1 секунда) в переходном токе, как показано на фиг.7A, демонстрирует высокую корреляцию с температурой. Однако, как показано на фиг.7B-7E, эта температурная зависимость со временем падает, и поэтому измеренный или определяемый ток i_pa (вместо i_pb на фиг.6B), определяемый в момент, обозначенный линией T_L переключения, или перед ним, при низком приложенном напряжении (менее приблизительно 300 мВ и предпочтительно приблизительно 20 мВ) считается наиболее приемлемым для получения точного расчета концентрации глюкозы. Хотя в предпочтительных вариантах осуществления прилагаемые напряжения указываются как положительные величины, те же по величине отрицательные напряжения также могут использоваться для достижения целей настоящего изобретения.

На фиг.8 показан график величин тестового тока, измеренных в промежутке времени до изменения напряжения с 20 мВ до 300 мВ (в момент времени приблизительно 1 секунда), в зависимости от температуры (°C) для образцов с низкой концентрацией глюкозы (70 мг/дл), средней концентрацией глюкозы (250 мг/дл) или высокой концентрацией глюкозы (500 мг/дл). Измерения для трех концентраций глюкозы проводили при трех определенных температурах: 7°C, 23°C и 43°C. На фиг.8 показаны данные, сгруппированные для каждой температуры исходя из концентрации глюкозы, которые указывают на сильную корреляцию между измеренным или определяемым током i_pa (определенным в момент, обозначенный линией T_L переключения, или перед ним) и температурой. Кроме того, корреляция измеренных или определяемых тестовых токов на данном промежутке линейного возрастания с температурой оказывается сильнее, чем корреляция с концентрацией глюкозы. Поскольку определяемый ток сильно коррелирует с температурой, заявители считают, что использование данных величин тока в алгоритме снизит чувствительность рассчитываемой концентрации глюкозы к температуре и тем самым избавит от необходимости проводить дополнительную температурную компенсацию для концентрации глюкозы.

Измерение тока в момент, обозначенный линией T_L переключения, или перед ним, когда напряжение составляет менее 300 мВ, в переходном токе CT представляет собой последнюю измеряемую точку на промежутке времени t₁, в течение которого может быть приложен низкий тестовый потенциал, такой как, например, ±20 мВ. Низкое напряжение, такое как ±20 мВ, находится ниже напряжения поляризации для электрохимической ячейки, и поэтому молекулы глюкозы и медиатора остаются по существу неактивными. Поэтому заявители считают, что при напряжениях ниже напряжения поляризации сопротивление образца зависит в основном от характеристик образца, таких как уровень гематокрита, и внешних факторов, таких как температура.

На фиг.9A показаны результаты измерения тестового тока в зависимости от температуры в момент времени 1 секунда (в момент, обозначенный линией T_L переключения, или перед ним на фиг.6B), а на фиг.9B показаны результаты измерения тестового тока в момент времени приблизительно 1,1 секунды (после линии T_L переключения на фиг.6B) в переходном токе CT, снова с использованием тех же температурных условий (7, 23 и 43°C), что были описаны для фиг.7A-7E и 8. Фиг.9B показывает, что величина определяемого тока после линии T_L переключения значительно превышает величину определяемого тока в момент, обозначенный линией T_L переключения, или перед ним. Более конкретно, фиг.9A и 9B демонстрируют более высокую корреляцию между тестовым током и температурой для измерений, проводимых в момент, обозначенный линией T_L переключения, или перед ним (i_pb в момент времени приблизительно 1 секунда на фиг.6B), на фиг.9A по сравнению с результатами измерения тока после линии T_L переключения, т.е. на 0,1 секунды позже (i_pb на фиг.6B), в момент времени приблизительно 1,1 секунды для фиг.9B.

ПРИМЕР 1

Определение погрешности без температурной компенсации

Партию тест-полосок использовали для тестирования более шестисот образцов цельной крови (значения n см. в таблице 1) с тремя различными концентрациями глюкозы (т.е. 73 мг/дл, 250 мг/дл и 500 мг/дл), уровень гематокрита для всех образцов был в пределах нормы, например, приблизительно 42%. Один и тот же набор образцов цельной крови измеряли при трех различных температурах: 5, 23 и 45 градусов Цельсия. Концентрацию глюкозы определяли для каждой точки данных, как описано выше, без использования температурной компенсации и с использованием приведенного выше уравнения 8 с величиной i_pb=1,1 (т.е. по старому алгоритму) и i_pb=1,0 (т.е. по новому алгоритму).

Затем для каждой концентрации глюкозы, определенной по старому и новому алгоритмам, рассчитывали погрешность, которая представляет собой оценку относительной ошибки в результатах измерения глюкозы. Погрешность для каждой концентрации глюкозы определяли по уравнениям вида:

Ур.9 $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$ Погрешность_абс=G_{рассчитанное}-G_{контрольное}

для G_{контрольное} меньше 75 мг/дл глюкозы и

Ур.10 $$\begin{array}{ccc}& & \end{array}$$

для G_{контрольное} больше или равного 75 мг/дл глюкозы

где Погрешность_абс. представляет собой абсолютную погрешность, Погрешность% представляет собой процентную погрешность, G_{рассчитанное} представляет собой концентрацию глюкозы, определенную по старому или новому алгоритму, и G_{контрольное} представляет собой контрольную концентрацию глюкозы.

На фиг.10 приведен график нескомпенсированной погрешности по отношению к стандарту компании YSI Life Sciences (YSI) для результатов измерения глюкозы, рассчитанных с использованием уравнений 8 и 8.4 (алгоритм без температурной компенсации согласно настоящей заявке) при измерении i_pa в момент времени 1 секунда (GSampleUG_Bias_2 на фиг.10) по сравнению с теми же данными образца, проанализированными с использованием уравнений 8 и 8.2 (алгоритм с необходимой температурной компенсацией из заявки '899) при измерении i_pb в момент времени приблизительно 1,1 секунды (SampleUG_Bias на фиг.10) в переходном токе.

Как показывают приведенные на фиг.10 данные, измерение тестового тока незадолго до или перед линией T_L переключения, когда приложенное напряжение составляет менее 300 мВ (в момент времени 1 секунда, когда приложенное напряжение составляет приблизительно 20 мВ) в переходном токе CT, вместо измерения после линии T_L переключения, когда приложенное напряжение составляет 300 мВ (например, в момент времени 1,1 секунды), дает значительное улучшение погрешности, особенно заметное при низких температурах. Такое улучшение погрешности достигнуто путем измерения тока i_pa (при приложенном напряжении менее 300 мВ) с использованием коэффициента c коррекции и не требует дополнительной коррекции, например, таких же технологических параметров p, a, b и Z. В предпочтительных вариантах осуществления a равно приблизительно 0,192; b равно приблизительно 0,678; p равно приблизительно 0,523, zgr равно приблизительно 2, и коэффициент c коррекции или масштабирования составляет от приблизительно 15 до приблизительно 25, более предпочтительно приблизительно 20.

Данные с фиг.10 могут также быть представлены в виде процентной доли, попадающей в рамки различных критериев погрешности согласно ISO (Международной организации по стандартизации), как показано в приведенной ниже таблице 1.

Таблица 1
Сводка результатов по погрешности Критерии погрешности по ISO

приблизительно (%) Процент в пределах
критериев погрешности для старого алгоритма (или i₇=1,1 с и E2~300 мВ) Процент в пределах
критериев погрешности для нового алгоритма (или i₇=1,0 с и E1~20 мВ) % n % n ±20 86,5 837 96,9 747 ±15 72,5 719 83,2 626

Приведенные в таблице 1 данные указывают на увеличение процентной доли данных, попадающих в рамки каждого критерия погрешности по ISO при измерении i_pa до линии переключения T_L, т.е. в момент времени 1 секунда. При погрешности ±20% процентная доля в пределах критериев погрешности для описываемого в настоящее время способа составляет 96,9% без температурной компенсации. В отличие от этого способ с использованием тока, возникающего в результате приложения напряжения 300 мВ, дает процентную долю, соответствующую погрешности ±20% и составляющую менее 90% (приблизительно 86,5%) без проведения температурной компенсации. Для улучшения данных с 86,5% до 95% необходимо выполнять температурную компенсацию, тем самым усложняя процесс измерения глюкозы.

На фиг.11 с использованием блок-схемы показан один способ определения концентрации глюкозы с использованием вновь открытых подходов, описанных в настоящем документе. Пользователь может вставить тест-полоску 62 в измерительный прибор 10 (который при этом переходит в режим обнаружения жидкости) и затем нанести образец на тест-полоску 62. Измерительный прибор 10 с помощью соответствующих электрических схем обнаруживает наличие образца (обнаружение образца для краткости не показано) и прилагает тестовое напряжение, как показано на стадии 1802, что приводит к превращению аналитов (например, глюкозы), если таковые присутствуют в образце крови, в другие химические продукты. В ответ на тестовое напряжение измерительный прибор 10 измеряет тестовый ток, как показано на стадии 1804. Микропроцессор измерительного прибора затем может обработать полученные величины тестового тока таким образом, чтобы определить и отобразить точные результаты измерения аналита (например, глюкозы).

Еще одной стадией в способе, как показано на стадии 1806, может быть выполнение теста на различение контрольного раствора (CS) или крови. Как показано на стадии 1808, если при выполнении теста на CS или крови принимается решение о том, что анализируется образец крови, способ 1800 переходит к выполнению серии стадий, которые включают: выполнение алгоритма измерения глюкозы в крови 1810, поправку на гематокрит 1812 и проверку на наличие ошибок 1000; если при выполнении теста на различение CS или крови принимается решение о том, что анализируется образец CS (т.е. не крови), способ 1800 переходит к выполнению серии стадий, которые включают: выполнение алгоритма измерения глюкозы в CS 1824 и проверку на наличие ошибок 1000. После выполнения проверки на наличие ошибок 1000 можно осуществить стадию 1818 для определения каких-либо ошибок. При отсутствии ошибок измерительный прибор 10 выдает сообщение (например, на дисплей, звуковое или передаваемое по каналам связи) о концентрации глюкозы, как показано на стадии 1820, однако при обнаружении ошибок измерительный прибор 10 выдает сообщение об ошибке, как показано на стадии 1822. Конкретные детали каждой стадии показаны и описаны в совместно рассматриваемой публикации заявки на патент США № 2009/0301899, содержание которой полностью включено в настоящую заявку путем ссылки.

Кроме того, соответствующие описания приведены в публикации заявки на патент США № 2007/0235347, озаглавленной «Электрохимический способ различения контрольного раствора и крови» и поданной 31 марта 2006 г.; публикации заявки на патент США № 2009/0084687, озаглавленной «Системы и способы различения контрольного раствора и образца физиологической жидкости» и поданной 28 сентября 2007 г., публикации заявки на патент США № 2009/0184004, озаглавленной «Система и способ измерения аналита в образце» и поданной 17 января 2008 г., и патенте США № 7749371, выданном 6 июля 2010 г., которые полностью включены в настоящую заявку путем ссылки.

Хотя настоящее изобретение было описано касательно конкретных вариаций и иллюстрирующих их чертежей, специалисты в данной области определят, что настоящее изобретение не ограничивается описанными вариациями и иллюстрирующими их чертежами. Кроме того, специалисты в данной области определят, что в тех случаях, когда описанные способы и стадии предписывают наступление определенных событий в определенном порядке, порядок некоторых стадий может быть изменен, и подобные изменения находятся в соответствии с вариациями настоящего изобретения. Кроме того, при возможности некоторые стадии могут выполняться одновременно параллельными процессами, а также последовательно согласно приведенному выше описанию. Таким образом, в той мере, в которой возможны вариации описываемого изобретения, которые соответствуют сущности раскрываемого изобретения или эквивалентны по содержанию пунктам формулы изобретения, настоящий патент призван также включить все подобные вариации.

Группа изобретений относится к области определения концентрации глюкозы в крови. Способ определения концентрации глюкозы в крови включает в себя этапы, на которых: вставляют тест-полоску в разъем порта для полоски измерительного прибора; запускают процедуру тестирования после нанесения образца; прикладывают первое напряжение в течение первого промежутка времени; переключают с первого напряжения на второе напряжение, отличное от первого напряжения; изменяют второе напряжение на третье напряжение, отличное от первого или второго напряжений; измеряют первое выходное значение тока в течение промежутка времени для переключения с первого напряжения на второе напряжение, но до полного перехода на второе напряжение; измеряют второе выходное значение тока после изменения со второго напряжения на третье напряжение; оценивают установившееся выходное значение тока после установки третьего напряжения; рассчитывают концентрацию глюкозы в крови на основе первого, второго и установившегося выходного значения тока без температурной компенсации концентрации глюкозы. Также раскрывается вариант способа определения концентрации глюкозы в крови и варианты систем для измерения глюкозы в крови. Группа изобретений обеспечивает определение концентрации глюкозы в крови без температурной компенсации. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл., 1 пр.

1. Способ определения концентрации глюкозы в крови с помощью системы измерения глюкозы, которая включает в себя тест-полоску и измерительный прибор, имеющий микроконтроллер, выполненный с возможностью приложения множества тестовых напряжений к тест-полоске и измерения выходного значения переходного тока, вызванного электрохимической реакцией в измерительной камере тест-полоски, при этом способ включает в себя этапы, на которых:
вставляют тест-полоску в разъем порта для полоски измерительного прибора для соединения по меньшей мере двух электродов тест-полоски с электрической схемой измерения полоски;
запускают процедуру тестирования после нанесения образца;
прикладывают первое напряжение к по меньшей мере двум электродам тест-полоски в течение первого промежутка времени от запуска процедуры тестирования для инициации превращения аналитов в образце;
переключают с первого напряжения на второе напряжение, отличное от первого напряжения;
изменяют второе напряжение на третье напряжение, отличное от первого или второго напряжений;
измеряют первое выходное значение тока для переходного тока с электродов в течение промежутка времени для переключения с первого напряжения на второе напряжение, но до полного перехода на второе напряжение;
измеряют второе выходное значение тока для переходного тока с электродов после изменения со второго напряжения на третье напряжение;
оценивают установившееся выходное значение тока для переходного тока после установки третьего напряжения на электродах и
рассчитывают концентрацию глюкозы в крови на основе первого, второго и установившегося выходного значения тока для переходного тока без температурной компенсации концентрации глюкозы.

2. Способ определения концентрации глюкозы в крови с помощью системы измерения глюкозы, которая включает в себя тест-полоску и измерительный прибор, имеющий микроконтроллер, выполненный с возможностью приложения множества тестовых напряжений к тест-полоске и измерения выходного значения переходного тока, вызванного электрохимической реакцией в измерительной камере тест-полоски, при этом способ включает в себя этапы, на которых:
вставляют тест-полоску в разъем порта для полоски измерительного прибора для соединения по меньшей мере двух электродов тест-полоски с электрической схемой измерения полоски;
запускают процедуру тестирования после нанесения образца;
прикладывают первое напряжение к по меньшей мере двум электродам тест-полоски в течение первого промежутка времени от запуска процедуры тестирования для инициации превращения аналитов в образце;
переключают с первого напряжения на второе напряжение, отличное от первого напряжения;
изменяют второе напряжение на третье напряжение, отличное от первого или второго напряжений;
измеряют первое выходное значение тока для переходного тока с электродов в течение промежутка времени для переключения с первого напряжения на второе напряжение, но до полного перехода на второе напряжение;
измеряют второе выходное значение тока для переходного тока с электродов после изменения со второго напряжения на третье напряжение;
оценивают установившееся выходное значение тока для переходного тока после установки третьего напряжения на электродах и
рассчитывают концентрацию глюкозы в крови на основе первого, второго и установившегося выходного значения тока для переходного тока без температурной компенсации концентрации глюкозы с использованием уравнения вида:

где G₁ пропорционально концентрации глюкозы;



где
а, b, с, р, zgr представляют собой технологические параметры, причем а составляет приблизительно 0,192; b составляет приблизительно 0,678; р составляет приблизительно 0,523, zgr составляет приблизительно 2, а коэффициент с коррекции или масштабирования составляет приблизительно 20;
i_4.1 представляет собой ток, измеренный через приблизительно 4,1 секунды после запуска процедуры тестирования;
i₅ представляет собой ток, измеренный через приблизительно 5 секунд после запуска процедуры тестирования;
i_1.0 представляет собой ток, измеренный через приблизительно 1 секунду после запуска процедуры тестирования,
t представляет собой время.

3. Способ по любому из пп. 1 или 2, в котором измерение первого выходного значения тока включает измерение выходного значения тока по меньшей мере двух электродов через приблизительно 1 секунду после запуска процедуры тестирования.

4. Способ по любому из пп. 1 или 2, в котором измерение второго выходного значения тока включает измерение выходного значения тока по меньшей мере двух электродов через приблизительно 4,1 секунды после запуска процедуры тестирования.

5. Способ по любому из пп. 1 или 2, в котором оценка установившегося выходного значения тока включает измерение выходного значения тока по меньшей мере двух электродов через приблизительно 5 секунд после запуска процедуры тестирования.

6. Система измерения глюкозы в крови, содержащая:
тест-полоску для определения аналита, включающую:
подложку с нанесенным на нее реагентом;
по меньшей мере два электрода, расположенных в непосредственной близости к реагенту в измерительной камере;
измерительный прибор для определения аналита, включающий:
разъем порта для полоски, обеспечивающий соединение с двумя электродами;
источник питания и
микроконтроллер, электрически соединенный с разъемом порта для полоски и источником питания таким образом, что при вставке тест-полоски в разъем порта для полоски и осаждении образца крови в измерительной камере для химических превращений глюкозы в образце крови микроконтроллер определяет концентрацию глюкозы в образце крови без дополнительной температурной компенсации концентрации глюкозы,
причем микроконтроллер запрограммирован для подачи множества напряжений на электроды и расчета концентрации глюкозы из выходного значения переходного тока с электродов с использованием уравнения вида:

где G₁ пропорционально концентрации глюкозы;



где
а, b, с, р, zgr представляют собой технологические параметры, причем а составляет приблизительно 0,192; b составляет приблизительно 0,678; р составляет приблизительно 0,523, zgr составляет приблизительно 2, а коэффициент с коррекции или масштабирования составляет приблизительно 20;
i_4.1 представляет собой первый ток, измеренный через приблизительно 4,1 секунды после запуска процедуры тестирования;
i₅ представляет собой второй ток, измеренный через приблизительно 5 секунд после запуска процедуры тестирования;
i_1.0 представляет собой третий ток, измеренный через приблизительно 1 секунду после запуска процедуры тестирования образца крови,
t представляет собой время.

7. Система измерения глюкозы в крови для измерения концентрации глюкозы в физиологической жидкости пользователя, содержащая:
тест-полоску, включающую электрохимическую ячейку, имеющую по меньшей мере рабочий электрод, противоэлектрод и слой реагента, содержащий медиатор в области измерения, причем электроды соединены с соответствующими контактными площадками; и
измерительный прибор для определения аналита, имеющий микропроцессор и схему испытания, соединенную с портом для тест-полоски, электрически соединенным с контактными площадками тест-полоски, таким образом, что измерительный прибор выполнен с возможностью приложения первого, второго и третьего напряжений после размещения физиологической жидкости на электродах и определения концентрации глюкозы по результатам измерения первого выходного значения тока для переходного тока с электродов в течение промежутка времени для переключения с первого напряжения на второе напряжение, но до полного перехода на второе напряжение; измерения второго выходного значения тока для переходного тока с электродов в течение промежутка времени для переключения со второго напряжения на третье напряжение; и оценки установившегося выходного значения тока для переходного тока после того, как третье напряжение приложено к электродам, без какой-либо температурной компенсации концентрации глюкозы.

8. Система измерения глюкозы по п. 7, в которой первое выходное значение тока включает ток, измеренный ранее, чем через 1,1 секунды после размещения образца крови.

9. Система измерения уровня глюкозы по п. 7, в которой измерительный прибор запрограммирован для подачи множества напряжений на электроды и расчета концентрации глюкозы из выходного значения переходного тока с электродов с использованием уравнения вида:

где G₁ пропорционально концентрации глюкозы;



где
а, b, с, р, zgr представляют собой технологические параметры, причем а составляет приблизительно 0,192; b составляет приблизительно 0,678; р составляет приблизительно 0,523, zgr составляет приблизительно 2, а коэффициент с коррекции или масштабирования составляет приблизительно 20;
i_4.1 представляет собой ток, измеренный через приблизительно 4,1 секунды после начала размещения образца крови;
i₅ представляет собой ток, измеренный через приблизительно 5 секунд после начала размещения образца крови;
i_1.0 представляет собой ток, измеренный через приблизительно 1 секунду после начала размещения образца крови,
t представляет собой время.