Nichtinvasive Blutzuckermessung

Nichtinvasive Blutzuckermessung – Cheersonic

8 technische Wege zur nicht-invasiven Blutzuckermessung

Die Glukose im Blut wird als Blutzucker (Glu) bezeichnet. Glukose ist ein wichtiger Bestandteil des menschlichen Körpers und eine bedeutende Energiequelle. Da die Quelle und der Stoffwechselweg des Blutzuckers im Wesentlichen gleich sind, befinden sich Produktion und Verbrauch von Blutzucker bei gesunden Menschen in einem dynamischen Gleichgewicht.

Zu den Quellen des Blutzuckers gehören: 

1. Verdauung und Resorption von Nahrungsmitteln;
2. Abbau von in der Leber gespeichertem Glykogen;
3. Umwandlung von Fett und Eiweiß.

Der Verlauf des Blutzuckerspiegels umfasst:

1. Oxidation zu Energie;
2. in Glykogen umgewandelt und in Leber, Niere und Muskeln gespeichert;
3. in Fett, Eiweiß und andere Nährstoffe zur Speicherung.

Die Langerhans-Inseln der Bauchspeicheldrüse sind die Hauptorgane im Körper, die den Blutzuckerspiegel regulieren, während die Leber Glykogen speichert. Der Blutzuckerspiegel wird außerdem durch Nerven und Hormone reguliert.

Diabetes ist eine Gruppe von Stoffwechselerkrankungen, die durch einen erhöhten Blutzuckerspiegel gekennzeichnet sind. Hyperglykämie entsteht durch eine gestörte Insulinausschüttung oder beeinträchtigte biologische Wirkungen des Insulins, oder beides. Die IDF Global Diabetes Map (9. Auflage) zeigt, dass die Zahl der Diabetespatienten weltweit zunimmt, mit einer durchschnittlichen globalen Wachstumsrate von 51 %. Aktuell leben 463 Millionen Menschen mit Diabetes. Prognosen zufolge wird die Zahl der Diabetespatienten weltweit bis 2045 auf 700 Millionen ansteigen. Am schnellsten stieg die Zahl der Patienten in Afrika mit 143 %, gefolgt von Südostasien mit 74 %. China steht mit rund 116,4 Millionen Betroffenen an erster Stelle, gefolgt von Indien mit etwa 77 Millionen und den USA mit 31 Millionen. China hat zudem die höchste Anzahl älterer Menschen mit Diabetes weltweit. Derzeit liegt die Zahl der Diabetespatienten über 65 Jahre in China bei 35,5 Millionen. Bis 2030 wird ein Anstieg auf 54,3 Millionen erwartet, und bis 2045 könnte sie sogar auf 78,1 Millionen ansteigen. Langfristig erhöhter Blutzucker verursacht chronische Schäden und Funktionsstörungen verschiedener Gewebe, insbesondere der Augen, Nieren, des Herzens, der Blutgefäße und der Nerven.

Zu den Ursachen von Diabetes zählen vor allem genetische und Umweltfaktoren:

1. Genetische Faktoren: Sowohl Typ-1- als auch Typ-2-Diabetes weisen eine deutliche genetische Heterogenität auf. Diabetes tritt häufig familiär gehäuft auf; bei einem Viertel bis zur Hälfte der Patienten ist Diabetes in der Familie vorgekommen. Klinisch können mindestens 60 genetische Syndrome mit Diabetes einhergehen. An der Pathogenese von Typ-1-Diabetes sind mehrere DNA-Abschnitte beteiligt. Der DQ-Polymorphismus im HLA-Antigen-Gen spielt dabei die engste Rolle. Bei Typ-2-Diabetes wurden verschiedene spezifische Genmutationen gefunden, beispielsweise im Insulin-Gen, im Insulinrezeptor-Gen, im Glukokinase-Gen und in mitochondrialen Genen.

2. Umweltfaktoren: Übergewicht, verursacht durch übermäßiges Essen und Bewegungsmangel, ist der wichtigste Umweltfaktor für Typ-2-Diabetes. Dadurch sind Menschen mit genetischer Veranlagung anfälliger für die Erkrankung. Patienten mit Typ-1-Diabetes haben ein geschwächtes Immunsystem. Bestimmte Viren, wie beispielsweise das Coxsackie-Virus, das Rötelnvirus und das Mumpsvirus, lösen eine Autoimmunreaktion aus und zerstören die insulinproduzierenden Beta-Zellen.

Da der Blutzuckergehalt in den Kapillaren nicht dem Blutzuckergehalt im venösen Blut entspricht, verwendet das Blutzuckermessgerät für den Heimgebrauch eine Selbstkorrekturmethode, um den Fehler zu reduzieren.

Die dynamische Blutzuckermessung (CGM) misst die Glukosekonzentration in der gesammelten Gewebeflüssigkeit mithilfe eines subkutan implantierten Glukosesensors. Innerhalb von nur drei Tagen können über 800 Blutzuckerwerte erfasst und ein Blutzuckerprofil erstellt werden. So lassen sich hohe und niedrige Blutzuckerwerte, die mit Fingerblutzuckermessungen und dem HbA1c-Wert schwer zu erkennen sind, sowie Blutzuckerschwankungen feststellen.

Allerdings gibt es nach wie vor zwei Faktoren, die den Markt einschränken: Erstens kann das Implantat allergische Reaktionen hervorrufen. Selbst bei Biokompatibilität bildet sich auf seiner Oberfläche innerhalb kurzer Zeit eine Proteinschicht. Diese Schicht führt zu instabilen Messergebnissen, sodass das Implantat regelmäßig ausgetauscht werden muss, was eine gewisse finanzielle Belastung darstellt. Zweitens kann das Implantat bei Bewegungen der Extremität von seiner ursprünglichen Position abweichen, was zu ungenauen Messergebnissen führt.

Entwicklungsstand der nicht-invasiven Blutzuckermesstechnologie

Da nicht-invasive Blutzuckertests den Blutzuckerspiegel nicht durch eine direkte chemische Reaktion mit dem Blut messen können, wird er über indirekte Methoden berechnet.

Die Hauptschwierigkeiten bei der nicht-invasiven Blutzuckermessung sind folgende:
1. Blutzucker ist im sichtbaren Licht farblos und daher schwer zu erkennen.
2. Die Zuckerverteilung im Körper ist nicht auf die Blutgefäße beschränkt, und der Glukosegehalt variiert in den einzelnen Geweben. Zudem ändert sich die Blutzuckerkonzentration je nach Körperzustand.
3. Die Glukosekonzentration im Blut kann sehr niedrig sein und bis auf die Hälfte des Normalwerts sinken.
4. Die chemische Struktur des Blutzuckers ähnelt der vieler anderer Verbindungen im Körper. Bestimmte Verbindungen, wie beispielsweise Albumin, binden an den Blutzucker und verfälschen so den Messwert.

Technischer Weg 1: Nahinfrarotspektroskopie

Technische Schwierigkeiten:
1. Die Intensität des vom Sensor empfangenen Spektralsignals des Blutzuckers ist gering;
2. Im Gewebe existieren zahlreiche Störfaktoren, die Nahinfrarotspektren erzeugen, welche dem Glukosespektrum ähneln, und zur Kalibrierung müssen viele variable Parameter berücksichtigt werden;
3. Die Glukosekonzentration in Kapillaren, Interstitialräumen und Venen des menschlichen Körpers ist ungleichmäßig verteilt.

Technischer Weg 2: Raman-Spektroskopie

Technisches Prinzip: Das Gewebe wird mit sichtbarem Licht und Nahinfrarotlicht bestrahlt, um ein Streuspektrum mit einer von der Frequenz des einfallenden Lichts abweichenden Frequenz zu erhalten. Dieses Spektrum wird analysiert, um Informationen über Molekülschwingungen und -rotationen zu gewinnen. Ein Team am MIT konnte in Experimenten zeigen, dass das Spektrum gut mit dem Blutzuckerspiegel korreliert.

Technischer Weg 3: Perkutane Dialysetechnologie

Funktionsprinzip: Durch Anlegen eines schwachen Stroms an die Haut wird Glukose aus dem Gewebe extrahiert und gemessen. Die Rückseite des Blutzuckermessgeräts steht über ein Gelpad in Kontakt mit der Haut. Im Gel befinden sich zwei Elektroden. Bei der Anwendung wird der Stromkreis aktiviert und ein Mikrostrom durch die Haut erzeugt. Die geladenen Ionen in der Haut wandern unter dem Einfluss des Stroms zu den positiven bzw. negativen Elektroden. Die Glukosemoleküle in der Gewebeflüssigkeit werden von den geladenen Ionen umhüllt, wandern gemeinsam mit ihnen in das Gel. Das Blutzuckermessgerät in Uhrenform berechnet den aktuellen Blutzuckerspiegel, indem es die Reaktion zwischen den Glukosemolekülen und einem Enzym (Glukoseoxidase) im Gel misst. Die Messergebnisse werden auf dem Display der Uhr angezeigt. Technische Herausforderung:

1. Die aus dem Blutzucker gewonnene Stromstärke ist ausreichend, um Hautschäden zu verursachen;

2. Die Genauigkeit der Geräteerkennung ist nicht hoch;

3. Die Gewinnung von Blutzucker aus der Haut ist sehr schwierig, da der menschliche Körper selbst die Aufnahme von Energieträgern wie Glukose, die eine wichtige Rolle im menschlichen Stoffwechsel spielen, über die Haut hemmt. Daher löst die Glukosegewinnung Kettenreaktionen aus, die den gemessenen Glukosegehalt verfälschen.

Technischer Weg 4: Methode zur Integration von Stoffwechselwärme

Bobang Fangzhou ist das einzige nicht-invasive Blutzuckermessgerät, das von der NMPA zugelassen und gelistet ist. Es berechnet den Blutzuckerwert durch die Messung physiologischer Parameter des menschlichen Stoffwechsels und grundlegender physiologischer Informationen des Körpers. Zu den messbaren Parametern gehören Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Körperoberflächentemperatur, Körperoberflächenfeuchtigkeit, Blutflussrate und Blutsauerstoffsättigung. Basierend auf dem Prinzip der metabolischen Wärmeintegration ermöglicht es mithilfe von Multisensor-Technologie eine nicht-invasive und schnelle Blutzuckermessung (in weniger als einer Minute). Klinische Studien belegen eine Übereinstimmung der Messergebnisse mit venösen Blutzuckerwerten von 94,5 % (gemäß Parkes-Konsensfehlertabelle A und B) und mit kapillären Blutzuckerwerten von 94,4 %.

Technischer Weg fünf: Nahinfrarotspektroskopie-Technologie + Methode zur Integration der Stoffwechselwärme
Technischer Weg sechs: Nahinfrarotspektroskopie-Technologie + Perkutane Dialyse-Technologie
Technischer Weg sieben: Andere spektroskopische Technologien
1. Terahertz-Spektroskopie (Terahertz-Spektroskopie)
Ihre Wellenlänge ist etwas höher als die des mittleren Infrarots, und Licht dieser Wellenlänge weist eine bessere spektrale Spezifität für Substanzen mit höherem Gehalt auf.

2. Streulichtspektrum:
Nutzung der Streueigenschaften von Licht im Gewebe zur Blutzuckermessung.
Fallbeispiel: Orsense versuchte, die Blutzirkulation an den Fingerspitzen vorübergehend zu unterbrechen und den Blutzucker während des Beobachtungszeitraums mittels Streulichtspektroskopie zu messen. Allerdings scheint der Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung 2014 die Forschungs- und Entwicklungsrichtung geändert zu haben.

Technischer Weg acht: Andere Stoffwechselprodukte.
Ausatemluft, Geräusche: Der Blutzucker wird anhand des Acetongehalts in der Atemluft gemessen. Diese Technologie hat dasselbe Problem wie die Blutzuckermessung im Urin: Sie kann Unterzuckerungen nicht erkennen.

Obwohl es bei der Entwicklung nicht-invasiver medizinischer Geräte zur Blutzuckermessung noch gewisse technische Hürden und Einschränkungen hinsichtlich der Anwendungsszenarien gibt, ist das zukünftige Wachstumspotenzial angesichts des bemerkenswerten Komforts und der Wirtschaftlichkeit vielversprechend.

Ultraschall-Sprühgerät zur Beschichtung von Elektroden für die nicht-invasive Blutzuckermessung

Die nicht-invasive Blutzuckermessung nutzt Schweiß und Gewebeflüssigkeit zur Erfassung von Glukosesignalen. Die empfindliche Elektrodenbeschichtung ist die zentrale Komponente, die die Genauigkeit und Stabilität der Sensormessung bestimmt. Die Ultraschall-Sprühanlage bietet eine präzise Prozesslösung für die Herstellung flexibler Beschichtungen für nicht-invasive Blutzuckerelektroden.

Das Gerät nutzt hochfrequente Ultraschallvibrationen, um Enzymlösung und leitfähige Nanosuspension in monodisperse, feine Tröpfchen zu zerstäuben. Es verwendet ein Niederdruck-Trägergas für die gerichtete Abscheidung, wodurch der Einfluss eines Hochdruckluftstroms und geringe Scherkräfte vermieden werden. Dies maximiert den Schutz bioaktiver Substanzen wie Glucoseoxidase, verhindert die Denaturierung und Deaktivierung von Enzymproteinen und gewährleistet die Sensor- und Erkennungsfähigkeit. Die Sprühdicke lässt sich präzise im Nanometer- bis Mikrometerbereich steuern, mit hoher Beschichtungsgleichmäßigkeit. Dickenabweichungen und lokale Agglomerationsdefekte, die bei herkömmlichen Dosier- und Druckluftsprühverfahren auftreten, werden effektiv eliminiert. Dies gewährleistet konsistente Reaktionsbedingungen an jeder Messstelle der Elektrode, reduziert Messfehler zwischen verschiedenen Chargen und verbessert die Signalstabilität und die Detektionsempfindlichkeit.

Das berührungslose, gezielte Sprühverfahren ermöglicht eine präzise Definition des Beschichtungsbereichs, eignet sich für flexible Dünnschichten und Mikroarray-Elektroden und verhindert die Kontamination der leitfähigen Elektrodenkontakte. Die Materialausnutzung erreicht über 90 %, wodurch teure Enzympräparate und Edelmetall-Nanomaterialien deutlich eingespart und die Produktionskosten gesenkt werden. In Kombination mit einem Klimatisierungssystem für Temperatur und Luftfeuchtigkeit ist das Verfahren ideal für die Aushärtung biologischer Beschichtungen. Es führt zur Bildung dichter Schichten mit optimaler Porenstruktur, was die Diffusion und Permeation von Glukosemolekülen in Körperflüssigkeiten begünstigt.

Dieses Verfahren löst branchenspezifische Probleme wie die mangelhafte Konsistenz der Beschichtung und die beeinträchtigte Enzymaktivität nicht-invasiver Blutzuckersensoren und kann die Anforderungen von der Laborforschung und -entwicklung bis zur Massenproduktion erfüllen, wodurch die Industrialisierung tragbarer, nicht-invasiver Blutzuckermessgeräte gefördert wird.

Über Cheersonic

Cheersonic  ist der führende Entwickler und Hersteller von  Ultraschallbeschichtungssystemen  zum Aufbringen präziser Dünnschichtbeschichtungen zum Schutz, zur Verstärkung oder zur Glättung von Oberflächen an Teilen und Komponenten für die Märkte Mikroelektronik/Elektronik, alternative Energien, Medizin und Industrie, einschließlich spezieller Glasanwendungen im Bauwesen und in der Automobilindustrie.

Unsere  Beschichtungslösungen  sind umweltfreundlich, effizient und äußerst zuverlässig und ermöglichen eine drastische Reduzierung von Sprühnebel, Einsparungen beim Rohstoff-, Wasser- und Energieverbrauch sowie eine verbesserte Prozesswiederholbarkeit, Übertragungseffizienz, hohe Gleichmäßigkeit und reduzierte Emissionen.

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