Medizinischer und nichtmedizinischer Bereich Spektroskopische Glukosemessung mit Infrarotspektroskopie

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Die kurzwellige Infrarotspektroskopie (SWIR) bietet einen vielversprechenden Ansatz für die quantitative Glukosemessung in biologischen Flüssigkeiten und Geweben. Die grössere molekulare Spezifität, grössere Eindringtiefe und stärkere Absorptionseigenschaften der SWIR führen zu einer höheren Analysegenauigkeit. Doch es gibt Einschränkungen.

Insulinabhängiger Diabetes ist eine grosse globale Gesundheitsbedrohung, von der weltweit über 537 Millionen Erwachsene betroffen sind, wobei bis 2045 ein deutlicher Anstieg dieser Zahl zu erwarten ist. Die nicht-invasive Glukoseüberwachung ist für die Diabetesbehandlung unerlässlich, doch herkömmliche Methoden wie Bluttests durch Fingerstiche sind unangenehm für den Patienten und stellen ein Infektionsrisiko dar.

Diese Einschränkungen haben zu einem zunehmenden Interesse an der optischen spektroskopischen Glukosemessung geführt, insbesondere an der kurzwelligen Infrarotspektroskopie (SWIR), die einen vielversprechenden Ansatz für die quantitative Glukosemessung in biologischen Flüssigkeiten und Geweben bietet. Die SWIR-Spektroskopie arbeitet im Spektralbereich von 700–2500 nm, indem Glukose starke Oberwellenabsorptionsbanden aufweist, was eine quantitative Detektion in komplexen biologischen Umgebungen ermöglicht.

Im Vergleich zur Nahinfrarotspektroskopie (NIR), die für die Glukosemessung bereits umfassend erforscht wurde, bietet SWIR eine grössere molekulare Spezifität, eine grössere Eindringtiefe und stärkere Absorptionseigenschaften, was zu einer höheren Analysegenauigkeit führt.

Relevanz auch auch im nichtmedizinischen Bereich

Über biomedizinische Anwendungen hinaus ist die Glukosequantifizierung ebenso relevant in nicht-medizinischen Bereichen wie der Lebensmittelwissenschaft, der Biotechnologie und der industriellen Überwachung. Glukose ist ein wichtiger Bestandteil von Lebensmitteln. Ihre Messung ist für die Bewertung des glykämischen Indizes, der Lebensmittelqualitätskontrolle, der Überwachung der Fermentation und der industriellen Bioverarbeitung unerlässlich. Bei einer Wellenlänge von 1050 nm erreicht die biologische Eindringtiefe von SWIR ihren Höhepunkt.

Die spektrale Empfindlichkeit der menschlichen Haut ist durch Spitzen und Täler gekennzeichnet. Die Reflektivität der menschlichen Haut ist bei einer Wellenlänge von 1050 nm mit ca. 50 bis 60 % relativ hoch und bei einer Wellenlänge von 1450 nm mit ca. 5 bis 10 % relativ niedrig.

Die optische, spektroskopische Glukosemessung mit kurzwelliger Infrarotspektroskopie (SWIR) versucht, den Glukosegehalt im Blut nicht-invasiv aus der Wechselwirkung von Licht mit Gewebe zu bestimmen. Die grundlegende Idee dabei ist, dass Moleküle das Licht bei spezifischen Wellenlängen absorbiert und dass Glukose im SWIR-Bereich charakteristische Vibrationsbanden besitzt.SWIR nutzt Obertöne und Kombinationsbanden der fundamentalen Molekülschwingungen, die bei Glukose eindeutig sind. Der Detektor misst die spektrale Intensität nach dem Durchgang oder der Reflexion durch das Gewebe und versucht daraus den Glukoseanteil zu extrahieren.

Typische SWIR-Systeme bestehen aus einer Lichtquelle. Diese kann ein Laser oder breitbandige SWIR-LEDs sein. Die Messmethode kann transmittiv z.B. am Ohrläppchen oder reflektiv am Finger, am Arm oder an der Handfläche sein. Die Detektion erfolgt über InGaAs-Sensoren, Spektrometer oder bei günstigen Systemen mit Photodiodenarrays.

Glukose ist schwer zu messen, da die Glukoseabsorptionsbande sehr schwach ist und häufig überlagert von Wasser, Lipiden, Proteinen und Kollagen ist. Darüber hinaus wird die Messung stark beeinflusst durch Faktoren wie Hautdicke, Blutfluss, Hydratation, Temperatur, Streuung und Melanin. Daher braucht man statistische Modelle und Kalibrierung per Machine Learning. Die Kalibrierung ist individuell pro Person erforderlich, was der häufigste Grund für das Scheitern kommerzieller Geräte ist. Sie driftet über die Zeit durch Hautveränderung, Hydratation und Alter.

Theoretisch ist SWIR am vielversprechendsten unter allen optischen Methoden aber praktisch bleiben Fehler, die für eine medizinische Zulassung zu hoch sind. Gute Laboraufbauten kommen deutlich besser zurecht, aber sind meist nicht alltagstauglich. Das Grundproblem ist, dass Glukose ein schwacher Absorber ist und Gewebe ein hochkomplexes Streumedium.

Trotzdem wird weiter geforscht, da SWIR viele Vorteile bietet. Es besitzt höhere Glukose-spezifische Absorptionsbanden als im NIR und eine geringere Interferenz durch Melanin. Zudem werden InGaAs-Sensoren günstiger und die KI-basierte Entmischung multidimensionaler Spektren wird besser.

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