Nichtinvasive Messung und Analyse des Glukosespiegels von Diabetespatienten mittels Metamaterialien

Bearbeiter Dipl.-Ing. Tanja Teutsch

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Projektpartner 4. Physikalisches Institut,
Universität Stuttgart
Projektstatus Abgeschlossen seit September 2015.

 

 

Beschreibung

Auf einem kontaktlinsenähnlichen Material lassen sich Prägungen von Metamaterialien (Gold Nanostrukturen, die eine Einzelresonanz im Nahinfrarotbereich aufweisen) aufbringen, so dass die entstehende Kontaktlinse direkt bei den Patienten im Auge eingesetzt werden kann. Ein infraroter Laserstrahl wird von dem Metamaterial auf der Kontaktlinse reflektiert und von einer Photodiode detektiert. Im Versuchsaufbau werden sowohl die Transmissions- und Reflexionsspektren gemessen, welche charakteristische Maxima und Minima aufweisen. Diese reagieren durch die Eigenschaften des Metamaterials stark sensitiv auf Änderungen (beispielsweise des Brechungsindex der Materialprobe) und ihre Resonanzen verändern sich. Um diese Sensitivität jedoch gezielt auf eine gewisse Substanz, in diesem Fall Glukose, zu beschränken wird ein Glukose-sensitives Hydrogel auf die Metamaterialien aufgetragen (s. Abbildung 1). Die in das Hydrogel eindiffundierende Glukose führt dazu, dass Wasser in das Hydrogel eindringt und dieses zum Anschwellen bringt. Die Schwellung des Hydrogels hängt dabei von der Glukosekonzentration der umgebenden Flüssigkeit ab, wodurch der Brechungsindex der Materialprobe verändert wird. Diese Änderung kann in den spektralen Messdaten beobachtet werden.

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Abbildung 1: Aufbau und Funktionsprinzip der Kontaktlinse.

Durch den Einsatz eines integrierten Datenverarbeitungsansatzes kann der Glukosegehalt der Tränenflüssigkeit bestimmt werden (s. Abbildung 2). Die Messdaten sollen zunächst ausgewertet und konditioniert werden, um anschließend mittels eines inversen Modells die Glukosekonzentration der Tränenflüssigkeit bestimmen zu können.

Uebersicht_Diagramm5Abbildung 2: Schätzung der Glukosekonzentration der Tränenflüssigkeit mittels Auswertung der spektralen Messdaten sowie der Verwendung eines inversen Modells.

Publikationen
Konferenzbeiträge
  • T. Teutsch, M. Mesch, H. Giessen & C. Tarín, “Refractive Index Estimation from Spectral Measurements of a Plasmonic Glucose Sensor and Wavelength Selection”, IFAC World Congress, Toulouse, France, 2017
  • T. Teutsch, M. Mesch, H. Giessen & C. Tarín, “Discrete wavelength selection for the optical readout of a metamaterial biosensing system for glucose concentration estimation via a support vector regression model”, International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Milano, Italy, 2015, pp. 6421-6424, doi:10.1109/EMBC.2015.7319862
  • T. Teutsch, M. Mesch, H. Giessen & C. Tarín, “Dynamic modeling of the hydrogel molecular filter in a metamaterial biosensing system for glucose concentration estimation”, International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Chicago, IL, USA, 2014, pp. 2081-2084, doi:10.1109/EMBC.2014.6944026
Fördermittel  

Das Projekt wurde durch das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg (MWK) finanziert.

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