Podstawowym celem niniejszej pracy badawczej było opracowanie metody, która umożliwiłaby prowadzenie analizy zmian w czasie poziomu stężenia różnych substancji w organizmie za pomocą nieinwazyjnej techniki pomiarowej. Jednym z efektów było roz-szerzenie metod badawczych zaprezentowanych w literaturze opisujących różnego rodzaju formy nieinwazyjnego pomiaru poziomu stężenia substancji w organizmie. Rozszerzenie to wynikło z założenia, iż inaczej niż w innych badaniach miejsce pomiaru może być do-konane w dowolnie wybranym miejscu ciała. Podejście takie zaowocowało znacznym skomplikowaniem metodologii pomiarowej. Duża złożoność ludzkiego ciała sprawia, że każde miejsce wybrane do pomiaru charakteryzuje się odmienną charakterystyką tkanki, przez którą biegną promienie świetlne. Została zatem zaproponowana korekcja pomiarów za pomocą danych dla światła białego o szerokim spektrum. Rozwiązanie to pozwoliło na znaczące poprawienie precyzji wyników obliczonych na podstawie rejestrowanych sygna-łów w stosunku do pomiarów referencyjnych. Technikę tę połączono ze spektroskopią za-równo w zakresie podczerwieni, jak i światła widzialnego. Zastosowanie potrójnego źródła pomiarów zaowocowało skuteczną metodą określania koncentracji wybranych do badań związków chemicznych.
Na podstawie zebranych wyników z przeprowadzonych badań można stwierdzić, że główne założenia pracy zostały zrealizowane. Wykorzystano nowatorskie pomysły do po-prawy jakości zbieranych informacji o zmianach stężenia różnych substancji. Dużą rolę odgrywała tu dioda LED w kolorze białym o szerokim spektrum emisji. Wielozakresowa metoda pomiarowa pozwoliła korygować w ograniczonym zakresie błędy głównego sy-gnału pomiarowego w przypadkach, gdy miejsce pomiaru ulegało zmianie. Niestety okaza-ło się, iż korekta ta czasem zawodzi i nie daje stuprocentowej gwarancji na skorygowanie sygnału właściwego i uzyskanie poprawnego wyniku. Należy jednak zaznaczyć, że są to skrajne przypadki, w szczególności związane ze zbyt dużą siłą nacisku głowicy pomiaro-wej na badaną tkankę, czego efektem jest zaburzenie przepływu krwi oraz zmiana biegu promieni. Drugim z przypadków jest sytuacja, w której głowica pomiarowa nie przylega do badanego obszaru i następuje oślepienie nadajnika światłem odbitym od powierzchni skóry. Nie licząc tych skrajnych przypadków, estymacja wyników przebiegała w sposób poprawny dla całej grupy badawczej dla obu badanych związków chemicznych. Zapropo-nowana metoda wielozakresowa spowodowała wyraźny wzrost dokładności wyników,
dzięki czemu prowadzenie pomiarów niezależnie od obszaru ciała dawało zadowalające efekty.
Przebadano także drugą wersję metody opartą o sygnały z częściowo nakładającymi się widmami. Okazało się, iż rozwiązanie takie, którego nie spotkano do tej pory w literaturze, daje dobre, ale nie w pełni zadowalające wyniki. Przewidywane stężenia wybranych sub-stancji w mniejszym stopniu odzwierciedlają pomiary odniesienia niż w przypadku pomia-rów z korekcją za pomocą światła białego.
Należy również zaznaczyć, iż do przeprowadzenia badań wybrano dwie substancje, dla których na rynku obecne są osobiste urządzenia wykonujące pomiar w sposób tradycyjny (glukometr i alkomat). Jest to główny powód, dla którego wybrano właśnie takie związki chemiczne. Daje to możliwość natychmiastowego prowadzenia pomiarów referencyjnych.
Niemniej jednak opisana metoda prowadzenia pomiarów umożliwia pomiar również in-nych związków chemiczin-nych, takich jak np.: hemoglobina czy kwas mlekowy. Różnicą w stosunku do opisanych w niniejszej pracy substancji jest inny zakres długości fal, dla których należy prowadzić pomiary. Technika spektroskopii daje zatem bardzo duże możli-wości prowadzenia analiz zarówno w wybranych zakresach spektralnych, jak i również w szerokich widmach promieniowania.
Reasumując, udowodniono, że teza postawiona na wstępie jest możliwa do zrealizowa-nia, ponieważ zaproponowana w ramach niniejszej rozprawy metoda pomiarowa działa zgodnie z założeniami. Najważniejszymi osiągnięciami przedstawionych prac badawczych są:
z powodzeniem zrealizowany system pomiarowy bazujący na pomiarach w wielu długościach fal, zarówno w bliskiej podczerwieni, jaki i w świetle widzialnym,
wykorzystanie niespotykanego do tej pory zestawu trzech długości fal dla pomiaru jednej substancji (dwa zakresy wąskopasmowe oraz jeden szeroko zakresowy),
na podstawie powyższych wyników zbudowano działający system pomiarowy, któ-ry umożliwiał pomiaktó-ry stężenia wybranych substancji w różnych częściach ciała badanych osób w sposób całkowicie nieinwazyjny,
przeprowadzono szereg obserwacji w czasie ciągłym zmian stężenia wybranych substancji za pomocą opracowanego urządzenia, przy czym pomiary realizowano w różnych miejscach ciała,
wyniki otrzymywane za pomocą systemu zbudowanego w oparciu o rezultaty ba-dań są zadowalające dla całej grupy przebadanych osób. Dokładność tą można do-datkowo poprawić przez kalibrację urządzenia dla badanej osoby, co szczegółowo pokazano na przykładach,
zrealizowano również pomiary z nakładającymi się widmami detektorów. Wyniki nie są tak dokładne jak za pomocą techniki zasadniczej, jednakże pokazują możli-wą drogę dalszego rozwoju systemów pomiarowych bazujących jedynie na pomia-rach w świetle widzialnym,
założenie o możliwości prowadzenia pomiaru dwóch substancji za pomocą jednego urządzenia również zostało zrealizowane. Jedynym ograniczeniem zaproponowane-go systemu dla wybranych związków chemicznych jest brak możliwości dokładne-go pomiaru obu substancji w jednym czasie.
Możliwość ciągłego i nieinwazyjnego monitorowania glukozy jest bardzo istotna z punktu widzenia pomiarów w nocy, gdy cukrzyk śpi. Alarm wywołany przez urządzenie w przypadku nagłego spadku poziomu cukru mógłby uchronić przed zapadnięciem w śpiączkę hipoglikemiczną, a nawet przed śmiercią. Urządzenie, które można przypiąć do dowolnej części ciała, prócz stałego monitoringu, jest również bardziej dyskretne, przez co pomiar cukru nie wzbudza zainteresowania otoczenia, co czasem może być krępujące.
Możliwość zastosowania komunikacji radiowej pozwala na przesyłanie wyników online do systemu nadzorującego i kontrolowanie stężeń w dopuszczalnym zakresie wartości.
Wykorzystanie całej gamy nadajników LED zarówno w zakresie światła widzialnego, jak i bliskiej podczerwieni posiada również kolejną bardzo istotną właściwość. Zastosowa-ne diody posiadają małą gęstość mocy, która dodatkowo została znacząco ograniczona, przez co zdecydowanie nie przekracza norm stosowanych przy domowej fototerapii. Za-stosowanie ograniczonych zakresów światła widzialnego (brak używania w badaniach krótkich długości fal, czyli kolorów niebieskiego i zielonego) dodatkowo wpływa na bez-pieczeństwo użytkowania, ze względu na brak negatywnego skutku wpływu promieniowa-nia UV na skórę (działanie rakotwórcze). Światło z przedziału od koloru czerwonego do bliskiej podczerwieni (do 1000 nm) posiada szereg pozytywnych właściwości regenerują-cych naskórek oraz niwelująregenerują-cych zapalenia, a także koi stany bólowe. Takie efekty wyma-gają jednak promieniowania o większej mocy niż używane w urządzeniach opracowanych do prowadzenia niniejszych badań, a powyższe przykłady mają jedynie sugerować, że
za-pewne nie ma mowy o negatywnym wpływie na zdrowie zaproponowanej metody pomia-rowej.
Ciekawym wnioskiem jest analiza wpływu różnego rodzaju pokarmów na metabolizm człowieka. Badanie zmian stężenia substancji w czasie może być również cenną informa-cją, jak organizm poszczególnej osoby reaguje na przyjmowanie składniki odżywcze i czy jego metabolizm jest właściwy. Dzięki temu możliwe jest przeprowadzenie wczesnej dia-gnostyki w długim czasie badania i różnorodnych warunkach otoczenia, co może mieć in-nowacyjne znaczenie dla diagnozowania i wczesnego rozpoznawania chociażby takich chorób, jak cukrzyca. za pomocą opisanej metody pomiarowej można bowiem zaobserwo-wać różnicę w reakcji organizmu na przyjmowanie jedzenia wysoce przetworzonego oraz nieprzetworzonego. Różną reakcją charakteryzuje się także dostarczanie energii w formie płynnej bądź posiłku, co wyraźnie widać na wykresie zmian stężenia w czasie (po ilu mi-nutach występuje maksimum koncentracji we krwi). W przypadku alkoholu można z kolei określić, jak organizm reaguje na przyjmowanie go w różnych stężeniach i w różnych wa-runkach początkowych (stopień wypełnienia żołądka) oraz różnym tempie jego przyjmo-wania.
Zaproponowane rozwiązanie jest zatem bazą do dalszych badań, mogących przynieść szerokie zastosowanie zarówno w medycynie, biologii oraz chemii. Próba przełożenia omawianej techniki na inne organizmy żywe może pozwolić na analizę wybranych sub-stancji również u zwierząt. Możliwości rozwoju i zastosowań techniki spektroskopii w róż-nych zakresach spektralróż-nych są nieograniczone, a sama metoda pomiarowa pozwala na bardzo dokładną analizę zarówno próbek w warunkach laboratoryjnych, jak i na żywych organizmach, co udowodniono zarówno w niniejszej pracy, jak i innych badaniach wskaza-nych w tekście niniejszej rozprawy.