Systemy bazujące na nieinwazyjnych pomiarach substancji w ludzkim ciele rozwijają się dynamicznie w różnych kierunkach. W związku z rozwojem technologii wiele form po-miaru staje się możliwa dopiero teraz, a niektóre pomysły muszą poczekać jeszcze na reali-zację. W literaturze najczęściej przedstawiane są rozwiązania do pomiarów takich substan-cji, jak: glukoza, alkohol etylowy, hemoglobina, czy też kwas mlekowy [16, 17, 18, 128].
Są to systemy pomiarowe zarówno do zastosowań medycznych, jak i z myślą o sportow-cach. Zainteresowanie taką formą pomiarów jest znaczące. Przykładowe techniki nieinwa-zyjnego pomiaru na przykładzie glukozy przedstawiono na rysunku 3.1.
Rys. 3.1 Przykłady technik nieinwazyjnego pomiaru [77]
Analizując nieinwazyjne systemy pomiarowe warto skupić się na różnych rozwiąza-niach. Okazuje się, że np. glukozę można wykrywać też za pomocą fal radiowych [16]
oraz układów radiowo-optycznych [17, 18]. Zespoły pracujące nad tego typu projektami prezentują całkiem obiecujące wyniki [16, 17]. Metody te polegają na pomiarach za pomo-cą fal radiowych o częstotliwościach od kiloherców aż do gigaherców. Dzięki zastosowa-niu wielu częstotliwości z tak szerokiego zakresu możliwe jest prowadzenie pomiarów dla różnych głębokości penetracji tkanek [17]. Zastosowanie systemów dualnych daje większe możliwości korelacji wzajemnej otrzymywanych wyników oraz poprawę dokładności aproksymacji. Do pomiarów optycznych najczęściej stosuje się spektroskopię w bliskiej podczerwieni. W przytoczonej literaturze najczęstszym miejscem pomiaru dla takich ukła-dów jest ramię, ponieważ głowice zbudowane z wielu anten są znacznych rozmiarów i jest to najwygodniejszy obszar dla pacjenta w trakcie dłuższych testów [16, 17, 18].
Kolejnym przykładem są systemy bazujące na pomiarach bioimpedancji [115] oraz wy-posażone w czujniki elektrochemiczne [93]. Inną grupę stanowią projekty polegające na wszczepieniu pod skórę substancji, która przypomina tatuaż [66]. Różnicą w stosunku do tradycyjnego rysunku jest używany atrament, który pod wpływem zmieniającego się stęże-nia glukozy zmiestęże-nia swój kolor [82]. Dzięki temu za pomocą aparatu w telefonie komórko-wym możliwa jest detekcja tych zmian oraz określenie szacunkowego stężenia substancji poprzez odpowiedni algorytm przewidujący końcowy wynik na podstawie zaobserwowa-nej barwy.
Spotkać można również projekty nieinwazyjnego pomiaru za pomocą ultradźwięków [90], polegające na badaniu płynu międzykomórkowego. Odmianą tego typu pomiarów są układy pomiarowe akustyczno-optyczne [79], które polegają na wzbudzaniu wiązań mię-dzyatomowych właściwymi długościami fal promieniowania elektromagnetycznego (zgod-nymi z energią absorpcji). Następnie bada się powstającą w wyniku nadmiaru energii falę drgań mechanicznych o częstotliwościach w zakresie ultradźwięków. Fala ta powstaje w wyniku tych samych drgań cząsteczek w określonych grupach atomowych, które opisa-ne były w zagadnieniach związanych ze spektroskopią. Detekcji dokonuje się detektorami piezoelektrycznymi [79].
Ciekawym pomysłem jest również projekt detekcji glukozy z łez [23, 80] za pomocą specjalnych soczewek pomiarowych [42], a także układy wykorzystujące polarymetrię do określania ilości glukozy [105]. Wykazano bowiem, że zmiana wielkości stężenia substan-cji powoduje analogiczną zmianę kąta spolaryzowanego światła, czyli im większa
koncen-tracja tym światło zostaje bardziej zakrzywione. Pomiarowe soczewki kontaktowe wyposa-żone są w detektor, układ sterujący, antenę oraz niewielki kondensator umożliwiający pra-cę całego układu [42]. Wszystkie te elementy umieszczone są na specjalnej jednorazowej soczewce. Może ona pełnić tradycyjną rolę polegającą na korekcie wzroku bądź być całko-wicie transparentną dla oka. Prowadzone są także badania nad nanomateriałami do analizy stężenia glukozy w moczu oraz pocie [80] również w sposób nieinwazyjny.
Wszystkie wymienione techniki nieinwazyjnych pomiarów nie tylko przytoczonej na przykład glukozy, ale również i innych substancji są bardzo obiecujące pod względem wy-ników, jakie uzyskują opracowujące je zespoły badawcze. Istnieje jeszcze więcej różnego rodzaju metod pomiarowych, jednakże nie są one istotne z punktu widzenia niniejszych badań. Kluczowe są natomiast wszystkie badania realizowane z wykorzystaniem technik spektroskopowych. W literaturze najczęściej pojawiają się projekty bazujące na spektro-skopii w bliskiej podczerwieni zarówno w zakresie do 1100 nm [65, 107, 135], jak i w za-kresie 1000 nm - 2000 nm [4, 14, 84, 111], najczęściej z wykorzystaniem laserów półprze-wodnikowych, a także w średniej podczerwieni, czyli powyżej 2500 nm [92, 96]. Można również spotkać badania nad detekcją glukozy przy wykorzystaniu spektroskopii UV/VIS, czyli w paśmie 220 nm – 750 nm [56]. Wśród wszystkich układów najczęściej wybierany-mi wybierany-miejscawybierany-mi do prowadzenia badań są opuszki palców [4, 22, 107] oraz małżowina uszna [39]. To drugie rozwiązanie posiada szereg pozytywnych właściwości. Tkanka ta jest u większości osób zbliżonej grubości i jest cienka, co umożliwia prowadzenie badań meto-dą transmisyjną [39]. Jest ona dobrze ukrwiona oraz nie zawiera ścięgien, kości, mięśni ani też większych naczyń krwionośnych. Jest zatem bardzo dobrym miejscem pomiarowym, ponieważ jest do niej bardzo łatwy dostęp. Nic więc dziwnego, że właśnie to miejsce jest jednym z najczęściej wybieranych do testów zaraz po opuszkach palców. Okazuje się, że wyniki zbierane w tym miejscu są satysfakcjonujące w wielu projektach [126]. Z drugiej zaś strony badania dowodzą, iż prowadzenie pomiarów nawet z dużej liczby sensorów, wcale nie oznacza istotnego wzrostu dokładności. Tego typu badania zostały przeprowa-dzone zarówno na modelu wielokanałowym poprzez symulację metodą Monte-Carlo [140], jak również poprzez fizyczną matrycę detektorów światłoczułych i analizę za pomo-cą wielu czujników [141].
Kolejnym z popularnych miejsc pomiarowych są opuszki palców, ponieważ u większo-ści osób są one podobne. Dokładność pomiarowa jest mniejsza niż w przypadku małżowi-ny usznej, niemniej jednak istnieje mała szansa na dużą zawartość tkanki tłuszczowej. Nie ma też ścięgien, mięśni, a ukrwienie jest dobre. W tych projektach wyróżnia się dwa nurty:
pomiary transmisyjne [107] oraz odbiciowe [4, 14, 22, 126]. Trudno jest oszacować, która z metod daje lepsze rezultaty, ponieważ wyniki przedstawiane w literaturze nie wskazują układów w pełni niezawodnych i dających całkowicie jednoznaczne wyniki. Nie oznacza to jednak, że wykonywane przez nie pomiary są błędne. Przytoczone projekty charaktery-zują się estymacją na zadowalającym poziomie, mieszczącą się w zakładanym błędzie po-miarowym dla urządzeń nieinwazyjnych [4, 14, 22, 126]. Każdy z projektów charakteryzu-je się inną formą zbierania danych, innymi problemami i innymi rozwiązaniami. Bardzo dużo zależy również od zaimplementowanych algorytmów aproksymujących oraz korekt wykonywanych odczytów. Przytaczane przykłady, które można znaleźć w literaturze są bo-gatym źródłem wiedzy na temat sposobów prowadzenia pomiarów oraz rozwiązywania problemów. Są jednak aspekty, które w literaturze ciężko spotkać, a mianowicie radzenie sobie z pomiarami na ciele w dowolnym miejscu. Można bowiem znaleźć przykłady badań nad pomiarem z ręki bądź nadgarstka, jednakże były to badania głównie w zakresie dłuż-szych fal, niż proponowane w niniejszej pracy [12, 84]. Większość przykładów pomiarów na ramieniu odbywa się nieinwazyjną metodą pomiarową w oparciu o jednoczesny pomiar radiowy oraz optyczny [17, 18, 79]. Wynikiem jest wzajemna kalibracja, co uniemożliwia określenie samej roli światła w tym procesie. Można jednak natrafić na przykłady prób po-miaru samą spektroskopią w bliskiej podczerwieni, jednakże wyniki są wstępne, a zakres pomiarowy opiera się jedynie o sam zakres fal spoza światła widzialnego [135].
Wśród wymienionych wyżej technik pomiarowych dla przykładu wybrano nieinwazyj-ne sposoby pomiaru glukozy w organizmie zarówno człowieka, jak i zwierząt laboratoryj-nych. Istotą było zaprezentowanie technik nieinwazyjnego pomiaru poziomu substancji w organizmie. W przypadku innych związków chemicznych, np.: kwasu mlekowego, alko-holu również spotkać można wiele różnorodnych metod pomiarowych, np.: spektroskopia z rozpraszaniem Ramana [55, 119], spektroskopia w bliskiej podczerwieni [1, 33, 59, 94, 137, 138], chromatografia gazowa [53, 130], wykorzystanie biosensorów [78], pomiary tych związków chemicznych z potu [41, 62], moczu [133] oraz wiele innych. Szczegółowy opis tych technik został przedstawiony na przykładzie glukozy a w przypadku pomiarów innych wybranych substancji wykorzystuje się takie same mechanizmy. Idea jest również identyczna w przypadku zastosowania spektroskopii w bliskiej podczerwieni [86, 89]. Je-dyną różnicą jest długość fali, dla której prowadzi się analizę sygnału. Jak zostało to poka-zane we wcześniejszych rozdziałach, każda z substancji posiada inne charakterystyczne maksima absorpcji [57, 65, 97, 123, 125, 126]. Może się również zdarzyć, że dane maksi-mum będzie występowało w dwóch substancjach, ponieważ zbudowane są one z takich
sa-mych grup atomów [57, 89]. Ważne jest zatem, by właściwie dobrać odpowiednie długości fali, dla których prowadzi się pomiary. Prowadzone są również badania nad estymacją stę-żenia alkoholu we krwi w formie szacowania jego stęstę-żenia na podstawie wzorów [73], jed-nakże nie jest to tak dokładny sposób jak pomiary faktycznego stężenia w czasie rzeczywi-stym.
W powyższych przykładach zaprezentowano analizy wykorzystywane zarówno w che-mii analitycznej, jak i dziedzinach biologii oraz medycynie. Należy jednak skupić się na spektroskopii w bliskiej podczerwieni oraz w zakresie światła widzialnego, która jest przedmiotem niniejszych badań. Przegląd literatury aktualnych badań naukowych zapre-zentowany we wcześniejszej części, pokazuje, że głównymi miejscami wybieranymi do badań są palce, małżowina uszna oraz ramię [4, 22, 39, 107, 126, 135]. Prowadzenie po-miarów w jednym wybranym punkcie pomiarowym umożliwia pominięcie jednego zasad-niczego problemu związanego z analizą stężenia substancji we krwi wewnątrz żywej tkan-ki biologicznej, a mianowicie różnorodnej jej budowy w różnych częściach ciała. Stały punkt prowadzenia badań umożliwia zatem pomiary bez konieczności zmian kalibracji układu oraz zapewnia większą stabilność wyników. Dzięki temu projekty tego typu dają satysfakcjonujące wyniki i estymację na dobrym poziomie [7, 47, 126]. Projekty te wyko-rzystują do analizy spektroskopię zarówno szeroko zakresową [7, 72], jak i w wąskim za-kresie długości fal [47, 135]. Pierwsza metoda wymaga podłączenia specjalistycznej apara-tury oraz spektrofotometru, który umożliwia analizowanie próbek w całym badanym za-kresie spektralnym. Rozwiązanie takie składa się zatem z rozbudowanego sprzętu pomia-rowego oraz stabilnego źródła światła w całym przedziale częstotliwości. Badania takie mogą być zatem prowadzone jedynie w warunkach laboratoryjnych. Druga metoda wyko-rzystująca wybrane wąskopasmowe zakresy do analizy pojedynczych wybranych maksi-mów absorpcji badanych substancji umożliwia wykorzystania diod LED bądź laserów pół-przewodnikowych. Takie rozwiązanie pozwala na znaczącą redukcję oprzyrządowania ko-niecznego do prowadzenia analiz, bowiem do detekcji selektywnych widm wystarczy de-tektor o odpowiednio szerokim widmie czułości [47, 135]. Możliwe jest także zastosowa-nie kilku par nadajnik-detektor o wąskich zakresach spektralnych.