Glucose Spektroskopie

Heute geht es um eine alte Technik mit ungemein großem Potential zum Blutzuckermessung ganz außerhalb des Körpers, der Spektroskopie. Schon lange warte ich auf ein Blutzuckermessgerät, das auf diese Weise funktioniert. Spektroskopie ist ein unendlich weites Feld und es gibt unheimlich viele Ansätze zum Messen des Blutzuckers. Ich habe mal die wichtigsten Möglichkeiten der Spektroskopie zusammengefasst, sogar Schaltungen dazu gefunden und einige Geräte gesichtet, die es vielleicht schon bald geben wird. Ich bin begeistert. Auch hab ich mal versucht zu erklären, wie welches Gerät funktionieren könnte.

Wichtig beim Blutzuckermessen ist mir immer, dass es möglichst einfach geht, so dass ich überall messen kann, zum Beispiel beim Laufen, da sind die bisherigen Messstreifen doch recht unpraktisch.

Was bisher in Sachen Spektroskopie geschah

In dem letzten Jahrzehnt gab es mehrere Ansätze Blutzuckermessgeräte zu bauen, die spektroskopisch funktionieren und die Haut nicht verletzen. So gab es 2003 von einem schweizerisch, niederländischen Hersteller eine Blutzucker messende Pendra Uhr (1). Sie wurde zunächst auch für CE Konform erklärt, scheint aber unübersehbare Genauigkeitsdefizite gehabt zu haben. Also erst einmal keine Uhr, die nebenbei noch mit der Spektroskopie den Blutzucker misst. Zehen Jahre später versuchte es ein Unternehmen namens MediSensors und brachte einen Sensor, den C8, auf dem Markt. Zu einer echten Markteinführung kam es hier aber auch nicht.

(1) Zwei Links zu Pendra Uhr:

http://www.bilanz.ch/unternehmen/pendragon-medical-voellig-ueberzuckert

http://paperity.org/p/21982438/pendra-goes-dutch-lessons-for-the-ce-mark-in-europe

Was ist Spektroskopie überhaupt

Die Funktionsweise der Spektroskopie ist einfach erklärt. Man bestrahlt die Haut zumeist mit Licht. Dieses dringt mehr oder weniger in die Haut ein und das Ergebnis untersucht man dann und hofft, dass ich dort etwas finden lässt, das sich mit der Blutzuckerhöhe ändert. Es werden unzählige Möglichkeiten und Variationen der Spektroskopie in der Wissenschaft beschrieben, eher theoretisch. Meistens versagen diese Methoden aber praktisch.

Als Lichtquelle kommen in der Regel Laserdioden zum Einsatz. Diese Bauteile sind klein und günstig erhältlich, ähnlich wie man sie in einem Laser-Pointer findet. Bei der Spektroskopie kommt Licht im Bereich des nahen und mittleren Infrarot Spektrums zur Anwendung. Dieser Bereich kommt nach dem roten Licht und ist für uns gerade nicht mehr sichtbar.

Aber es wird auch vermehrt mit einem kleinen Wechselstrom beziehungsweise einer elektromagnetischen Welle gearbeitet. Diese Spektroskopie Art ist bisher noch nicht so populär. Sie ist mein Liebling und steckt voller Überraschungen.

Die Absorptionsspektroskopie

Hierbei wird das Ohrläppchen oder ein Finger mit einem Laserlicht durchstrahlt und am anderen Ende schaut man, wie viel von dem Licht noch angekommen ist. Dazu gibt es auch schon ein Gerät, das wohl marktreif ist (2). In Magdeburg wird auch an einem solchen Gerät gebaut, das einen Fingerclip benutzt. Leider finde ich den Link dazu nicht mehr. Hoffentlich wird dort noch an dem Gerät gearbeitet. Ich finde einen solchen Finger- oder Ohrclip zum Messen etwas unpraktisch.

Zur Funktion dieser Messart:

Die Glukose im Blut nimmt das Licht auf, wenn die Lichtfrequenz mit der Resonanzfrequenz der Glukose übereinstimmt. Es ist, denke ich, günstig das Gerät so zu bauen, dass die Haut mit einer Lichtquelle bestrahlt wird, deren Licht über einen gewissen Frequenzbereich gleich verteilt ist. Man schaut dann an der anderen Seite nur nach einer Frequenz, der Resonanzfrequenz der Glucose, und filtert die anderen Frequenzen heraus. Je weniger man von der Frequenz der Glukose am anderen Ende findet, desto höher ist der Glukosegehalt im Blut. So erhält man den Blutzuckerwert.

(2) Ein Link zum Blutzuckermessgerät GlucoTrack:

http://www.integrity-app.com/the-glucotrack/

(12) Eine mögliche Schaltung dazu:

http://www.edn.com/design/medical/4422840/Non-invasive-blood-glucose-monitoring-using-near-infrared-spectroscopy

Nahinfarot Spektroskopie (NIR), Mittlere Infrarot Spektroskopie (MIR), Raman Spektroskopie

Dann gibt es noch einige Infrarot – Verfahren, die ich als klassisch bezeichnen würde. Sie sind recht kompliziert. Bei der mittleren Infrarot Spektroskopie dringt das Laserlicht nicht weit in die Haut ein. Es wird eher die Oberfläche abgescannt. Das Laserlicht bringt die Glukose zum schwingen. Diese Schwingung wird ausgewertet. Neben der Laserdiode, die das Licht aussendet, befindet sich der CCD Auswertesensor, der die zurückkommende Strahlung misst.

Es ist ein Problem, dass nicht allein die Glukose anfängt zu schwingen. Viele andere Moleküle wie Laktate und Aminosäuren, aber auch Wasser fangen ebenfalls an zu schwingen und senden Schwingungsstrahlen zurück. Nun bestehen alle Moleküle und das Wasser aus Sauerstoff-Wasserstoff oder Stickstoff-Wasserstoff Verbindungen, so dass die Schwingen sehr nahe bei der Glukose anzutreffen sind. Ein großer rechnerischer Aufwand ist nötig, um die Glukose aus dem Messergebnis zu berechnen.

Bei der Nahinfarot Spektroskopie dringt das Laserlicht in einem recht großen transparenten Bereich weiter in die Haut ein.

Es gibt noch viel Möglichkeiten das auf die Glucose fallende Licht auszuwerten, beispielsweise durch Streuung. Diese Methoden sind alle sehr aufwendig. Deshalb zeichnet sich auch ein Trend zu einfacheren und sehr vielversprechenden Alternativen ab. Die zwei nun folgenden Methoden werden zur Zeit sehr ausgiebig wissenschaftlich untersucht. Ich schätzte die Aussichten, dass ein Gerät aus diesem Bereich das Blutzuckermessen revolutioniert, für sehr groß ein und das macht mich glücklich.

Photoakustische Spektroskopie

Die photoakustische Spektroskopie wird in vielen Bereichen angewandt. Bisher allerdings noch nicht zur Glukose Bestimmung. In diesem Bereich wird in Deutschland sehr intensiv geforscht. Ein marktreifes Produkt zum Blutzucker messen scheint es bisher noch nicht zu geben. Aber das könnte sich in wenigen Jahren ändern. Dort kommt der Bereich des mittleren Infrarotspektrums, MIR, zur Anwendung (3). Es gibt aber auch sehr zahlreiche und vielversprechende Ansätze im Bereich des nahen Infrarotspektrum, NIR (4).

Bei dieser Methode wird die elastische Ausdehnung von Molekülen ausgenutzt.

Die Haut wird hierbei von Außen mit einer Lichtquelle, zum Beispiel einer Laserdiode, beschossen. Diesmal werden besonders modulierte Lichtimpulse abgegeben. Die Impulse sind so ausgewählt, dass diese die Glukose treffen. Dabei spielt vor allem die Dauer eines solchen Impulses eine wichtige Rolle.

Das Glukosemolekül absorbiert die Lichtimpulse indem es die Energie des Impulses aufnimmt und dadurch erwärmt wird. Durch die Erwärmung wiederum dehnt es sich aus und wird größer. Ist der Impuls vorbei zieht das Glukosemolekül sich wieder zusammen. Beim Ausdehnen und Zusammenziehen erzeugt es einen akustisches Signal. Dieses Signal kann dann beispielsweise mit einem Mikrofon oder einem piezoelektrischen Drucksensor aufgenommen werden. Je mehr Glukosemoleküle vorhanden sind, desto größer wird das von den Glukosemolekülen erzeugte Signal. Die Größe des akustischen Signals ist ein direktes Maß für den Blutzucker.

(3) http://www.biophys.eu/layout/pdf/BAMA_Photoakustik.pdf

(4) https://mediatum.ub.tum.de/doc/601271/document.pdf

(5) http://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1936&context=qnde

Impedanz Spektroskopie oder dielektrische Spektroskopie

Legt man an einen Widerstand einen Strom an, so änderst sich die Größe des Stroms durch den Widerstand je nach dem, ob der Widerstand groß oder kein ist. Mit dem Strom kann man den Widerstand messen. Bei der Impedanz Spektroskopie kommt nun Wechselstrom zum Einsatz. Es wird der Wechselstrom Widerstand gemessen. Dieser heißt Impedanz. Die Impedanz kann recht komplex sein. Das Dielektrikum ist die Materialeigenschaft, die für den Widerstand beim Wechselatom verantwortlich ist. Es wird nun mit einem Wechselstrom die Impedanz der Haut gemessen. Bei der Frequenz des Stroms gibt es viele unterschiedliche Möglichkeiten, die dokumentiert werden. Der Bereich von einigen MHz bis etwa 200 MHz ist sehr beliebt.

Die Funktionsweise, was gemessen wird:

Der steigende Blutzucker verändert den Elektrolyt Stoffwechsel. Beispielsweise geht die Natrium Konzentration zurück, die dielektrischen Eigenschaften der roten Blutkörperchen verändern sich (6,8), um nur einige Effekte zu nennen. Grund genug diese Eigenschaften genauer zu untersuchen auf ihre Brauchbarkeit zur Bestimmung des Blutzuckerwertes. Und in der Tat ändert sich die Impedanz der Haut messbar abhängig davon, wievielt Glukose im Blut ist.

Nachteile:

Es wird nicht der kapillare Blutzucker gemessen sondern die Glukose Konzentration im Gewebe. Diese benötigt wie bei den CGMS Sensoren einige Zeit um den kapillaren Wert zu erreichen. Die Ergebnisse können ungenau bis unbrauchbar werden, beispielsweise durch Schweiß. Auch sind die Ergebnisse stark abhängig von der Hauttemperatur.

Vorteil:

Der Aufbau ist extrem günstig mit ein paar Standartbauelementen möglich. Natürlich hab ich damit auch schon rum experimentiert. Mal hatte ich das Gefühl es klappt, aber etwas richtig gescheites hab ich bisher nicht hinbekommen. Sonst hätte ich darüber berichtet. Ich hab auch eine Schaltungsbeschreibung (7) gefunden und zu den Links hinzugefügt.

(6) http://www.hindawi.com/journals/jspec/2013/571372/

(7) Für Technik Freaks. Die Schaltungstechnik zur Bestimmung der Glukose via Impedanz Messung

http://www.academia.edu/1537953/DESIGN_OF_A_DIELECTRIC_SPECTROSCOPY_SENSOR_FOR_CONTINUOUS_AND_NON-INVASIVE_BLOOD_GLUCOSE_MONITORING

(8) Weitere Infos

http://e-collection.library.ethz.ch/eserv/eth:6685/eth-6685-01.pdf

Das GlucoWise Blutzuckermessgerät

Das GlucoWise Blutzuckermessgerät (9) basiert ebenfalls auf der Methode der dielektrischen Glukose Bestimmung. Es weist eine Besonderheit auf. Es Arbeitet mit einer Frequenz die extrem hoch ist. Das scheint immense Vorteile zu bringen. Die Frequenz beträgt 65 GHz und ist damit etwa 30 mal höher als die eines Handys.Bei so einer hohen Frequenz ist der Strom zur Impedanz Messung eine elektromagnetische Welle, die in sogenannten Hohlleitern geführt wird. Wie so ein Hohlleiter aussieht kann man in (10) sehen. Es wird kein Widerstand, sondern der Grad wie weit sich die Welle in dem Glukose ausbreiten kann, gemessen. Die Welle kann sich abhängig von der Glukose im Blut mehr oder weniger gut ausbreiten (Reflexion der Welle). Das Gerät misst nicht die Glukose in dem Gewebe, sondern die kapillare Blutglucose. Es kommt also nicht zu einer Verzögerung der Messwerte. Ich vermute, dass sich die Ausbreitung der elektromagnetischen Welle in den Adern der Hand fortsetzt. Die Adern sozusagen einen Hohlleiter für die elektromagnetische Welle bilden und die Welle sich entlang der Ader ausbreitet. Von der Glukose in den Adern hängt es dann ab, wie gut sich die Welle ausbreitet. Das Gerät scheint sich im Beta Test zu befinden und wird wohl ausführlich klinisch getestet und ist mein absoluter persönlicher Favorit.

(9) Homepage von GlucoWise:

http://www.gluco-wise.com/

(10) Ergebnisse:

http://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0CCoQFjAB&url=http%3A%2F%2Feudl.eu%2Fpdf%2F10.4108%2Ficst.mobihealth.2014.257502&ei=KJs8Vbm_DMqiPfWKgMgL&usg=AFQjCNFLci4zHUkn3jY4PEzjRzEn3ZW3Uw&bvm=bv.91665533,d.ZWU

(11) Für HF – Freaks:

http://www.ece.tamu.edu/~kentesar/Kamran_J24.pdf

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thomas

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