Open Access

Arjan Xhelaj

• Diese Arbeit beschreibt wie mit physikalischen Methoden die Glukosekonzentration gemessen werden kann. Die Infrarot-Spektroskopie bietet eine Möglichkeit da die Energie der meisten Molekülschwingungen Photonenenergien im infraroten Spektralbereich entspricht. Hier zeigen Glukosemoleküle charakteristische Absorptionsspektren, die mit spektroskopischen Methoden gemessen werden. Um nicht invasiv zu messen, wurde eine photoakustische Messmethode gewählt. Die Grundidee ist, dass die durch Licht angeregten Moleküle ihre Anregungsenergie teilweise in Form von Wärme abgeben. Da die anregende Strahlung intensitätsmoduliert ist, wird auch die Wärmeentwicklung periodisch verlaufen wodurch periodische Volumenänderungen hervorgerufen werden, die eine Druckwelle erzeugen, die sich durch empfindliche Mikrofone oder Schallwandler erfassen lässt. So kann im MIR auf Grund der hohen Spezifizität, der Glukosegehalt mit sehr hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die Wellenlänge der Glukoseabsorptionsbanden im MIR Bereich sind im Wesentlichen gekoppelte C=O Streck- und O–H Biegeschwingungen. Im MIR-Bereich zeigen Spektren zwischen 8,3µm bis 11,1µm fünf glukoserelevanten Banden. Der photoakustische Effekt wird durch die Rosencwaig-Gersho Theorie beschrieben. Die Absorption des Lichtes in der Probe bewirkt eine Temperaturerhöhung, die als Wärme an Umgebung abgegeben wird. Da das eingestrahlte Licht gepulst ist, wird auch die Wärme periodisch abgegeben. Durch die Absorption eines Laserpulses in der Haut entsteht ein Temperaturgradient, die abhängig vom Absorptionskoeffizienten und der Glukosekonzentration ist. Der führt zu einer Diffusion von Wärme im Absorptionsvolumen. Die Hautoberfläche und damit eine dünne Luftschicht über der Hautoberfläche werden durch die Diffusionswärme periodisch mit der Modulationsfrequenz der Laser aufgeheizt, was als Druckschwankungen in Messkammer mit Mikrofon detektiert wird. Im Mitteinfrarot geben Quantenkaskadenlaser die beste Lichtquelle, wegen ihre gute Strahlqualität und hohe optische Leistung. Die verwendete photoakustische(PA) Resonanzzelle ist nach dem Prinzip des Helmholtz-Resonators konzipiert. Der Vorteil des Verstärkungsverhaltens einer resonanten PA-Zelle kann unter Umständen durch Verwendung Volumenreduzierten und mit empfindlichen Mikrofonen ausgestatteten nicht-resonanten PA-Zelle erreicht werde. Zum Erfassung der PA Signale wird eine Kombination aus einen Analog-Digital Wandlerkarte verwendet, die eine gemeinsame Zeitbasis mit der synchronen Lasersteuerung und der Datenerfassung liefert und phasenechte Fourieranalyse der photoakustischen Signale ermöglicht. Es wurde ein Modellsystem entwickelt um photoakustischen Glukosemessungen in vitro zu testen. Dieses „Phantommodell“ besteht aus einer dünnen Polymermembran befestigt in eine Gefäß von nur paar ml Volumen die mit verschiedenen Glukosekonzentrationen gefüllt wurde. Die modulierte Laserstrahlung passiert die Messzelle und dringt durch die Folie in die wässerige Glukoselösung ein. Das Folienmaterial und Dicke wurde so gewählt, dass keineAbsorption im verwendeten MIR-Bereich entsteht. Als Lösung für die jeweiligen Glukosekonzentrationen wurde ein Wasser-Albumin Gemisch verwendet mit einen 10%igen Albuminanteil, die verwendet wurde, um den Proteingehalt der Haut zu imitieren und zu zeigen, dass Eiweiß keinen Störeinfluss im Glukosefingerprintbereich hat. Messungen wurden bei steigenden und fallenden Glukosekonzentration durchgeführt damit gezeigt könnte, dass das Messsignal in der PA- Zelle nicht von der Lufterwärmung in der Zelle stammt, sondern vom PA-Signale der Glukose. Die Glukoseschwankungen in der extrazellulären Flüssigkeit der Epidermis spiegeln die Glukoseschwankungen im Blut gut wider, bei einer Messung am Arm entsteht eine Verzögerung von paar Minuten. Im Daumenballenbereich findet aufgrund der guten Durchblutung ein schneller Austausch der Glukosekonzentration der von uns gemessenen interstitiellen Flüssigkeit mit der Blutzuckerkonzentration statt. Deshalb wurden die in-vivo Messungen am Daumenballen durchgeführt. Das Stratum spinosum ist für uns von Bedeutung, da dies das interstitielle Wasser enthält, in dem der Glukosegehalt mit dem Glukosegehalt im Blut gut übereinstimmt. Die photoakustische Messmethode wird nicht-invasiv durchgeführt. Probanden wird Zucker verabreichet und danach in Abständen von 5 Minuten der Blutzucker konventionell bestimmt und gleichzeitig mittels der photoakustischen Messung am Daumenballen durchgeführt. Mit diesen Daten kann die Korrelation zwischen beiden Methoden bestimmt werden. In vielen in vivo Messreihen zeigen sich bereits in direkter Korrelation zu invasiv genommenen Blutzuckerwerten Korrelationskoeffizienten bis zu R=0,8 und eine damit deutliche Evidenz für einen glukoserelevanten Effekt. Trotz der versprechenden Ergebnisse wird deutlich, dass weitere Entwicklungen notwendig sind, damit das System zu einer direkten Konkurrenz zu der vorhandenen invasiven Meßsystemen werden kann.
• This Thesis describes like with physical methods the glucose concentration can be measured. The infrared spectroscopy offers a possibility there the energy of most molecule oscillations to photon energy in the infrared spectral range corresponds. Here glucose molecules show the typical absorption spectra which are measured with spectroscopic methods. To measure not invasive, a photoacoustic(PA) measuring method was chosen. The basic idea is that the molecules animated by light deliver her suggestion energy partially in the form of warmth. Because the stimulating radiation is intensity-modulated, the warm development will also run periodically by which periodical volume changes are caused which generate a blast which can be grasped by sensitive microphones or sound converters. Thus is able in to MIR on grounds of the high Specificity to which glucose salary with very high exactness are determined. The wavelength of the glucose absorption gangs in to MIR area are in the essentials coupled C=O Stretching and O-H Bending oscillations. In the MIR-area spectra point between 8.3 µ m to 11.1 µ m to five gangs relevant for glucose. The photoacoustic effect is described by the Rosencwaig- Gersho theory. The absorption of the light in the test causes a temperature rise which is delivered as warmth in surroundings. Because the irradiated light is pulsed, the warmth is also delivered periodically. A temperature gradient which is depending on the absorption coefficient and the glucose concentration originates from the absorption of a laser pulse in the skin. He leads to a diffusion of warmth in the absorption volume. The skin surface and with it a thin air layer above the skin surface are heated by the diffusion warmth periodically with the modulation frequency of the lasers what becomes as pressure fluctuations in measuring chamber with microphone detektiert. In quantum cascade lasers give mid-infrared the best source of light, because of her good ray quality and high optical achievement. The used photoacoustic (PA) resonance cell is conceived after the principle of the Helmholtz resonator. The advantage of the strengthening behaviour of a resonant Pa cell is able to do under circumstances by use volume-diminished and with sensitive microphones equipped non-resonant PA cell is reached. To the capture the PA of signals a combination of an analog-digital converter card is used which delivers a common time base with the synchronous laser control and the data capture and allows phase-real quartermaster's analysis of the photoacoustic signals. A model system was developed to test to photoacoustic glucose measurements in vitro. This "phantom model" exists of a thin polymer membrane fastens in a vessel from only pair of ml volume with different glucose concentrations was filled. The modulated laser radiation passes the measuring cell and penetrates by the foil into the watery glucose solution. The foil material and thickness was so chosen that non Absorption originates in the used MIR-area. As a solution for the respective glucose concentrations a water-albumin mixture was used with a 10%th albumin portion which was used to imitate the protein salary of the skin and to show that egg white has no sturgeon influence in the Glukosefingerprintbereich. Measurements were carried out with rising and falling glucose concentration would be able with the fact shown that the measuring signal comes in the PA cell not from the aerial warming in the cell, but from the PA signal of the glucose. The glucose variations in the extra-cellular liquid of the epidermis reflect the glucose variations in the blood well, with a measurement in the arm there originates a delay of few of minutes. In the ball of the thumb area a quick exchange of the glucose concentration of the interstitiellen liquid measured by us with the blood glucose concentration takes place on account of the good blood circulation. Therefore, were carried out in vivo measurements in the ball of the thumb. The Stratum spinosum matters to us, because this contains the interstitielle water in which the glucose salary agrees with the glucose salary in the blood well. The photoacoustic measuring method is carried out non-invasive. Test persons becomes sugar give and afterwards at a distance of 5 minutes the blood glucose conventionally certainly and at the same time by means of the photoacoustic measurement in the ball of the thumb carried out. With these data the correlation can be determined between both methods. In many in vivo measuring rows correlation coefficients already appear in direct correlation too invasive to taken blood glucose values up to R=0,8 and an evidence clear with it for an effect relevant for glucose. In spite of the promissory results becomes clear that further developments are necessary, so that the system can become a direct competition to the available invasive measuring systems.