Kontinuierliche Glukosemessung

Projekt REACTION

Tragbarer optischer Glukosesensor

Tragbarer optischer Glukosesensor
© Foto Fraunhofer ICT-IMM

Tragbarer optischer Glukosesensor

Diabetes hat sich in den letzten Jahrzehnten, insbesondere im nordamerikanischen, europäischen und asiatischen Raum, zu einer weitverbreiteten Erkrankung entwickelt. Die Behandlung, auch der damit verbundenen Folgeerkrankungen stellen einen großen Kostenfaktor für die Gesundheitssysteme dar. In diesem Zusammenhang ist eine Verbesserung des Langzeitmanagements von Diabetes, sowohl bei der Behandlung stationärer Patienten in klinischer Umgebung, als auch von Diabeteskranken im Alltag, dringend erforderlich. Ein Ansatz basiert auf tragbaren, kontinuierlich messenden Sensoren mit automatischer Closed-Loop-Zufuhr von Insulin. Wir haben einen tragbaren optischen Sensor entwickelt, der prinzipiell die Glukosekonzentration zeitlich uneingeschränkt messen kann. Enzymbasierte Sensoren mit elektrochemischer Detektion sind im Vergleich dazu, bedingt durch den kontinuierlichen Verbrauch des Enzyms, nur für einige Tage einsetzbar.

Das Funktionsprinzip

Der Sensor basiert auf dem Prinzip der Transmissionsspektroskopie im Nahinfrarotbereich (NIR), kann kontinuierlich messen, liefert die geforderte Messgenauigkeit über den physiologisch relevanten Konzentrationsbereich (etwa 50-300mg/dl) und ist über drahtlose Kommunikation in eine ICT-Plattform integrierbar. Die Umsetzung erfolgte zunächst über eine intra­venöse oder subkutane, minimalinvasive Mikrodialyse. Das Dialysat wird in einen mikrofluidischen Einwegchip in Trans­mission gegen eine Referenzlösung in Transmission auf definierten Banden mit LED’s gemessen. Das System ist komplett nicht-dispersiv (ohne Spektrometer) und somit einfach aufgebaut und kostengünstig. Die gesamte Elektronik mit den optischen Komponenten, das Anzeigeelement und der Einwegchip sind in einer kompakten, tragbaren Einheit untergebracht. Der Chip kann mit konventionellen Kunststoff-Abformtechniken hergestellt werden. Schwankungen der Lichtquelle können durch eine interne Referenzmessung kompensiert werden. Integriert man das System in einem implantierbaren Katheter mit faseroptischer Ankopplung, so kann die Lagtime, bedingt durch die Mikrodialyse, eliminiert werden.

Eigenschaften und Einsatzbereiche

Durch Referenzmessungen mit einem Laborspektrometer konnte das Messprinzip verifiziert werden. Bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 10000:1 resultiert daraus theoretisch ein Limit Of Detection (LOD) von etwa 18 mg/dl. Dies wurde experimentell in einem Chip-basierten System mittels in Wasser gelöster Glukose verifiziert. Für die intravenöse Studie ergab sich ein LOD von 48 mg/dl, bei einem MARD (Mean Relative absolute Error) von 13,8%, für die subkutane Studie mit einem verbesserten System ein LOD von 36mg/dl, bei einem MARD von 8,5%. Kontrollierte Temperaturbedingungen können dabei eine Signaldrift vermeiden. Blasenfallen in den mikrofluidischen Chips verhindern die Bildung von Mikroblasen im Dialysat, die das Messergebnis verfälschen würden. Wird der Sensor als Fasersensor realisiert, benötigt man keine aktive Temperaturkompensation und auch keine Blasenfallen, da der Austausch über die Dialysemembran rein diffusionsgesteuert ist. Durch Anpassung der relevanten Wellenlängen (Messbereiche) sind im Prinzip auch andere physiologische Parameter messbar, wenn sie im NIR-Spektrum adressierbar sind.

Unser F&E Angebot

Wir entwickeln basierend auf unterschiedlichen spektroskopischen Verfahren kostenoptimiert miniaturisierte Online/Offline-Sensoren, die sich durch einen hohen Integrationsgrad und große Robustheit auszeichnen. Wir bieten unseren Kunden spektroskopische Messungen im Rahmen von technologischen Machbarkeitsstudien an, auch mittels der in unsrem Institut verfügbaren Spektrometer.

Themenverwandte Entwicklungen sind:

  • Bestimmung des Wassergehalts, der Oxidation und der Total Base Number (TBN) mittels MIR-Spektroskopie
  • Bestimmung des Wasserstoffperoxid- und des Schwefelsäuregehalts in DSP-Lösungen mittels UV-VIS-Spektroskopie
  • Nachweis von chemischen Verbindungen in Katalysatorschichten mittels Ramanspektroskopie
  • Messung der Glukosekonzentration in Blut oder interstitieller Flüssigkeit mittels NIR-Spektroskopie
  • Nachweis von Fluoreszenzlicht zur Zellzählung oder zur Umsetzungskontrolle bei der PCR

 

Gefördert durch: 7. Rahmenprogramm der EU, Contract No. 248590.