Glukose-Monitoring

Nicht-invasive Blutzuckermessung

Diabetes Mellitus

Diabetes Mellitus ist eine der weitverbreitetsten Krankheiten der modernen Wohlstandsgesellschaft. Nach Schätzungen der International Diabetes Federation (IDF) sind derzeit weltweit ca. 170 Mio. Menschen von dieser Krankheit betroffen. Dabei ist der Körper nicht oder nur eingeschränkt in der Lage, den Glukosegehalt des Blutes (Blutzuckerspiegel) zu regeln. Daher müssen Diabetespatienten mehrere Male täglich ihren Blutzuckerspiegel zur Einhaltung individueller Diätpläne messen oder – in schwereren Fällen – Insulin zur Regulierung zu spritzen.

Die mit 95% der Fälle häufigste Variante ist dabei der zumeist insulinunabhängige Diabetes Typ II ("Altersdiabetes"). Da die Ursachen für Typ II hauptsächlich in falscher Ernährung und mangelnder Bewegung liegen, tritt dieser Typ der Krankheit hauptsächlich im gehobenen Alter auf. Da Diabetes die Alterungserscheinungen der Augenlinse (Intraokularlinse, IOL) deutlich beschleunigt muss ein wesentlicher Teil der Diabetiker relativ früh eine künstliche IOL erhalten.

Glukosemonitor

Diabetiker müssen ihren Blutzuckerspiegel kontinuierlich überwachen. Die Messung erfolgt dabei üblicherweise durch Entnahme kleinster Mengen von Blut, wozu allerdings die Haut perforiert werden muss. Aufgrund der häufigen Messungen bedeutet dies eine erhebliche Belastung der betroffenen Hautpartien.

Am Institut wird daher ein kompaktes, nicht-invasives Messgerät entwickelt, welches die Akzeptanz einer häufigen Messung sowie die Lebensqualität der Patienten deutlich erhöht. Häufigere Messungen sind erforderlich, um Langzeitschäden zu vermeiden und somit die Lebenserwartung zu erhöhen. 

Messprinzipien

Als nicht-invasive und berührungslose Messprinzipien bieten sich verschiedene optische Verfahren an. Einen sehr günstigen Messort stellt dabei, aufgrund ihrer hervorragenden optischen Eigenschaften, die Vorderkammer des Auges dar. Die darin enthaltene Flüssigkeit, das Aqueous Humor, besteht zum Grossteil aus Blutserum und spiegelt daher - mit einer gewissen Latenzzeit behaftet - den Glukosegehalt des Blutes wieder.
Unter Berücksichtigung der Laser-Schutz-Richtlinien kann zur optischen Messung der Glukosekonzentration ein Lichtstrahl auf die Linse des Auges gerichtet werden, welcher an dieser wieder nach außen reflektiert wird und somit zweimal das Kammerwasser durchläuft. Dieses reflektierte Licht wird dann analysiert und somit kann auf den Glukosegehalt des Kammerwassers respektive den Blutzuckerspiegel geschlossen werden.

Für dieses Messprinzip bieten sich zwei optische Eigenschaften des Glukosemoleküls an:

• Absorption
  Unterschiedliche Wellenlängen ("Farben") des einfallenden Lichtes werden abhängig von der Glukosekonzentration unterschiedlich stark absorbiert. Durch eine Spektralanalyse des an der Linse des Auges reflektierten Lichtes kann so auf die Glukosekonzentration in der Vorderkammer des Auges und somit auf den Blutzuckerspiegel geschlossen werden.
   
• Optische Aktivität
  Die Polarisationseigenschaften des einfallenden Lichtes werden abhängig von der Glukosekonzentration verändert (Rotation der Polarisationsebene) und können mit Hilfe eines hochgenauen Polarimeters gemessen werden. Auch hierbei wird der an der Linse reflektierte Strahl analysiert und damit der Blutzuckergehalt ermittelt.

Implantate

Bisherige nicht-invasive Messverfahren scheiterten bislang an den äusserst geringen Reflektionseigenschaften innerhalb des Auges. Nur ein Anteil von ca. 0.05% des eingestrahlten Lichtes wird von der Linse reflektiert. Da von Laserschutzrichtlinien nur eine sehr geringe Lichtleistungsdichte am Auge zugelassen ist, wird eine optische Messung am Auge somit extrem erschwert. Eine vielversprechende Lösungsmöglichkeit für diese Problemstellung ist der Einsatz von Miniatur-Implantaten.

• Modifizierte Intraokularlinse
  Wie schon beschrieben benötigt ein großer Teil der Diabetes Typ II Patienten ohnehin eine künstliche Augenlinse, da die natürliche Linse derart getrübt ist, dass die Sehkraft zunehmend schwindet (Katarakt). Das Ersetzen der natürlichen Linse durch eine künstliche IOL wird häufig ambulant durchgeführt. Die eigentliche minimalinvasive Operation wird durch einen Schnitt von nur 2mm Länge durchgeführt und dauert nur ca. 20 Minuten pro Auge. In der Arbeitsgruppe wird daher zusammen mit Industriepartnern eine spezielle IOL entwickelt, welche im für den Menschen sichtbaren Wellenlängenbereich transparent ist und im Wellenlängenbereich der verwendeten Mess-Laser stark reflektiert. Auf diese Weise können die Schwächen der Polarimetrie sowie der Spektroskopie kompensiert werden.
   
• Implantierte passive Sensoren
  Da alle optischen Effekte innerhalb des Auges sehr schwach ausgeprägt und daher nicht so einfach messtechnisch zu erfassen sind, liegt die Ausnutzung anderer chemischer oder physikalischer Effekte nahe. Am Institut wird daher ein implantierbarer passiver Miniatur-Sensor entwickelt. Dieser kann, ähnlich wie die künstlichen Augenlinsen, minimal-invasiv implantiert werden. Um die Sensor auslesen zu können, wird auf ein berührungsloses optisches Messverfahren zurückgegriffen. Dieser Sensor wird es dem Patienten ermöglichen, häufig, schnell und einfach seinen Blutzuckerspiegel zu ermitteln.

Integration

Ziel der Entwicklung ist ein Handheldsystem in Fernglasgröße , welches einfach zu handhaben ist. Dieses System kann dann bequem vom Patienten mitgeführt werden. Auf diese Weise können Messungen mit einer Messdauer von ca. 20 Sekunden beliebig häufig und für den Patienten belastungsfrei ohne lästige Blutentnahme durchgeführt werden. Der Sensor wird auf einem optischen Messprinzip basieren und somit nicht-invasiv und berührungslos die Glukosekonzentration im Auge messen und auf dieser Basis die Blutzuckerkonzentration des Blutes zuverlässig ermitteln können.

Der Glukosemonitor wird abschließend in die Telemonitoring-Plattform des ITIV integriert und kann so zuverlässig alle statistischen Daten, welche für Diagnose und Therapie benötigt werden, sammeln und analysieren und somit Diabetes-Patienten entlasten.

Projekte

Personal Health Monitor (PHMon)