Wydział Elektroniki i Telekomunikacji
Katedra Systemów Telekomunikacyjnych i Optoelektroniki
ROZPRAWA DOKTORSKA
Wykorzystanie spektroskopii w bliskiej podczerwieni do ciągłej, nieinwazyjnej oceny stężenia substancji chemicznych w organizmie
mgr inż. Tomasz Kossowski
Promotor:
prof. dr hab. inż. Ryszard Stasiński
w podziękowaniu za wsparcie, wyrozumiałość i cierpliwość podczas prowadzenia badań.
Szczególne podziękowania kieruję do mojego Promotora, który prowadził mnie przez cały ten czas.
Dziękuję również wszystkim ochotnikom, bez których nie byłoby tak licznych wyników, będących bazą niniejszej pracy.
STRESZCZENIE...7
ABSTRACT...7
1. Wstęp...9
1.1. Nakreślenie tła pracy...9
1.2. Teza i cel pracy...11
1.3. Omówienie treści rozprawy doktorskiej...12
2. Przegląd zagadnień teoretycznych...13
2.1. Związki chemiczne oddziałujące na układ pomiarowy ...13
2.2. Choroby i stany patologiczne organizmu...15
2.2.1. Cukrzyca...15
2.2.2. Zatrucie alkoholem etylowym...18
2.3. Spektroskopia...19
2.4. Detektory światłoczułe...27
2.5. Źródła promieniowania...31
2.6. Tradycyjne pomiary poziomu stężenia substancji w organizmie...33
2.6.1. Alkomat...34
2.6.2. Glukometr...35
3. Przegląd technik nieinwazyjnego pomiaru stężenia substancji w organizmie...37
4. Główne założenia prowadzonych badań...43
4.1. Pomiary w bliskiej podczerwieni...46
4.2. Pomiary w świetle widzialnym...55
4.3. Metoda i miejsce zbierania danych pomiarowych...55
5. Zaproponowane rozwiązanie...67
5.1. Rozwiązanie techniczne...67
5.2. Oprogramowanie...74
5.3. Opracowanie wyników...75
6. Wyniki badań...79
6.1 Korekcja efektu zmiany miejsca pomiaru...79
6.2 Korekcja zakłóceń zewnętrznych...81
6.3 Estymacja wyników końcowych...84
6.4 Konfiguracja detektora...93
6.5 Badania stężenia glukozy...96
6.6 Pomiar stężenia alkoholu etylowego...121
6.7 Zależność pomiędzy sygnałami o różnych poziomach mocy...133
6.8 Wpływ mocy emisji na wynik estymacji...134
7. Wnioski...137
8. Literatura...141
STRESZCZENIE
Celem niniejszych badań było opracowanie metody pomiarowej do analizy stężenia wybranych substancji w organizmie w sposób ciągły oraz nieinwazyjny. Głównymi założe- niami była próba pomiaru co najmniej dwóch różnych substancji we krwi, poprzez specjal- ną głowicę pomiarową, która wykorzystuje technikę spektroskopii w bliskiej podczerwie- ni. Przedmiotem badań było również wykorzystanie długości fal z zakresu światła widzial- nego, niespotykanych do tej pory w literaturze. Zdecydowano się na takie rozwiązanie, po- nieważ drugim z założeń była możliwość prowadzenia pomiarów w dowolnym miejscu na ciele, stąd koniecznym było zaproponowanie rozwiązania do korekcji wyniku ze względu na różne właściwości badanych tkanek. Zaprezentowano metodę nieinwazyjnego pomiaru wybranych substancji we krwi oraz pokazano wpływ zaproponowanych rozwiązań na wy- nik końcowy. Zestawienie wykonano dla dwóch wybranych substancji: glukozy oraz alko- holu etylowego, a także omówiono wnioski wynikające z obserwacji przeprowadzonych w trakcie badań.
ABSTRACT
The purpose of this thesis was to develop a system measuring concentration of various substances in the human body, continuously and non-invasively. It was assumed that at least two different substances would be measured in blood using near infrared spectroscopy. A new idea was to do additional measurements in visible light. This was done for improving accuracy of results obtained in infrared range. Another new assumption was to collect data from various places on human body. This implied correction of results according to local properties of tissue. A method of non-invasive measurement of selected substances (glucose and ethyl alcohol) in blood was presented, and influence of proposed solutions on measurements was discussed. The method was tested on a group of volunteers, and indeed, the obtained results were very promising.
1. Wstęp
1.1. Nakreślenie tła pracy
Żyjemy w czasach bardzo szybkiego rozwoju technologicznego. Otaczające nas urzą- dzenia i systemy zmieniają się dynamicznie na przestrzeni zaledwie dziesięcioleci. To, co wczoraj wydawało się niemożliwe, jutro może być osiągalne. Rozwój dotyczy wszystkich aspektów naszego życia, począwszy od urządzeń, które wykorzystujemy na co dzień, po- przez transport i urządzenia, które go wspomagają, a kończąc na urządzeniach, które rzad- ko są używane, aczkolwiek to one mogą decydować, czy będziemy żyć, i czy będzie to ży- cie w zdrowiu. Mowa o urządzeniach medycznych, których szybki rozwój pozwala zarów- no na leczenie chorób, które do tej pory wydawały się nieuleczalne, jak i również umożli- wia diagnozowanie schorzeń w sposób dotychczas niewykonalny. Człowieka nie można bezpośrednio podłączyć do komputera i odczytać parametrów pracy jego narządów. Ko- nieczna jest budowa zaawansowanych systemów, które pozwolą inwazyjnie bądź nieinwa- zyjnie badać jego właściwości. Do przykładów takich urządzeń należy chociażby rezonans magnetyczny (RMI), tomografia komputerowa, rentgen, ciśnieniomierz, elektroencefalo- grafia, glukometr oraz cały szereg analiz biochemicznych pozwalających na określanie za- wartości kluczowych substancji w próbkach ludzkiego ciała (np.: w krwi, moczu itd.). In- wazyjne metody pomiarowe są bardzo dokładne, jednak wymagają pobrania próbki i doko- nania jej analizy. To z kolei uniemożliwia analizę zmian poziomów substancji w organi- zmie w czasie rzeczywistym oraz wiąże się z długim czasem oczekiwania na wynik.
Nieinwazyjne techniki pomiarowe rozwijają się bardzo dynamicznie na przestrzeni ostatnich lat, ponieważ pozwalają mierzyć poziom substancji we krwi w sposób bezbole- sny i szybki. Obserwacja zmian w czasie rzeczywistym w sposób ciągły daje możliwości szybkiego reagowania w przypadku przekroczenia norm stężenia analizowanych substan- cji. Umożliwia również wczesne wykrywanie powstających zaburzeń, co w ostateczności może pomóc w dużo wcześniejszym diagnozowaniu i leczeniu chorób w ich początkowym stadium. Możliwości bieżącego monitorowania są też bardzo przydatne dla osób dotknię- tych chorobami, przy których konieczny jest ciągły monitoring próbek krwi, np. cukrzycą.
Prócz zastosowań medycznych, nieinwazyjne techniki pomiaru stężenia związków che- micznych bądź hormonów mogą znaleźć zastosowanie w sporcie oraz innych dziedzinach życia. Dawałoby to możliwość określenia poziomu wybranych substancji w ciele sportow-
ca podczas treningu i niedopuszczenie do stanów wpływających negatywnie na jego zdro- wie.
Analizowanie tego typu zmian w organizmie może przyczynić się również do lepszego poznania zachowań ludzkiego ciała oraz tego, jak reaguje ono na wybrane zmiany czynni- ków zewnętrznych. Doszukać się można w tym aspekcie korzyści zarówno medycznych, jak i indywidualnych, w szczególności dla osób poddających się takiemu monitoringowi.
Obecny rozwój technik nieinwazyjnego pomiaru poziomu wybranych substancji w or- ganizmie, takich jak np.: glukoza, alkohol etylowy czy też kwas mlekowy jest szybki.
Technik tych jest obecnie dużo i są rozwijane w każdym zakątku naszego globu. Część z nich opiera się na analizie za pomocą spektroskopii w podczerwieni [4, 14, 65, 74, 84, 92, 96, 107, 111], bądź z rozpraszaniem Ramana [9, 11, 35, 45, 85]. Proponowane są rów- nież układy wykorzystujące fale radiowe, mierzące w zakresie megaherców [16], a także systemy dualne, radiowo-optyczne [17, 18]. Pojawiają się też projekty związane z analizą substancji z łez [23, 80], skóry [115] a także w wydychanym powietrzu. Wszystkie te roz- wiązania dają lepsze bądź gorsze wyniki, ale każde jest przykładem tego, że techniki niein- wazyjnego pomiaru substancji w organizmie rozwijają się dynamicznie i mogą być wpro- wadzone do użytku.
W niniejszej pracy opisane zostaną badania w zakresie jednej z przytoczonych technik pomiarowych. Wykorzystana zostanie metoda spektroskopii w bliskiej podczerwieni, zwa- na także w skrócie spektroskopią NIR (ang. Near InfraRed). Zostanie ona przedstawiona zarówno pod kątem obecnych osiągnięć w tej dziedzinie, jak i zaproponowane zostaną roz- wiązania ją rozszerzające. Ich zadaniem będzie zarówno poprawienie dokładności prowa- dzonych analiz, jak również niwelowanie wpływu zmiennej charakterystyki transmisyjnej ludzkiego ciała. Ma to umożliwić poprawną pracę w różnych miejscach na ciele. Obecne techniki pozwalają na wiarygodne pomiary jedynie z opuszków palców oraz małżowiny usznej. W literaturze pojawiają się propozycje pomiarów z innych części ciała, ale nie dają one jednoznacznych wyników. Zaproponowane rozszerzenie spektroskopii NIR, poza zdol- nością samoczynnej kalibracji względem miejsca prowadzenia pomiaru, będzie również wykorzystywać innowacyjne podejście do prowadzenia pomiarów. Prowadzenie badań bę- dzie odbywać się też w zakresie światła widzialnego, co dodatkowo zwiększa dokładność zbieranych danych pomiarowych. Oznacza to, że zaproponowane badania wychodzą poza zakres standardowej spektroskopii IR i są połączeniem w zakresie IR/VIS (skrót od ang.
VISible – widzialny, stosowany w podziale metod spektroskopii).
Takie niestandardowe podejście do badań zaowocowało poprawą wyników w porówna- niu do metod zaprezentowanych w literaturze. Analiza wieloczęstotliwościowa IR/VIS za- równo wąsko pasmowa, jak i w szerokim zakresie długości fal, umożliwiła dodatkowo analizę poziomu wybranych substancji jednocześnie. Daje to zarazem możliwość wykrycia dodatkowych zależności wpływu tych substancji na siebie w organizmie człowieka. Opra- cowana technika pomiarowa pozwala w czasie rzeczywistym, w sposób nieinwazyjny i ciągły badać stężenie wybranych związków chemicznych.
1.2. Teza i cel pracy
Teza pracy jest następująca:
W optycznej odbiciowej metodzie pomiaru stężenia wybranych substancji we krwi ist- nieje możliwość kompensacji błędów pomiaru wynikających ze zmienności właściwości tkanek przez zastosowanie dodatkowego sygnału optycznego.
Wybrane substancje to takie, które mają linie absorpcyjne w bliskiej podczerwieni, po- dobnie jak glukoza i etanol. W przypadku glukozy kompensacja błędów pomiaru oznacza uzyskanie wyników spełniających kryterium Clarka.
Zakres prowadzonych badań obejmował:
opracowanie systemu pomiarowego w oparciu o połączenie technik spektroskopii w bliskiej podczerwieni oraz w zakresie światła widzialnego dla długości fal, które do tej pory nie były wykorzystywane w badaniach,
budowę układu, który dzięki zastosowaniu nowych długości fal do analizy nie tylko stężenia badanej substancji, ale również właściwości tkanki, w której te badania za- chodzą, zdolnego do dokonywania korekcji błędu powstającego przy pomiarach dla głównych długości fal,
budowę na tej podstawie systemu pomiarowego, który pozwala na pomiar ciągły w różnym miejscu na ciele (brzuch, ramie, przedramię, łydka) z możliwością prze- syłania danych drogą radiową w celu nadzorowania bieżących wskazań,
pomiar stężenia wybranych substancji w jednym czasie, jednym urządzeniem, przy wykorzystaniu wzajemnych korelacji pomiędzy sygnałami,
określenie możliwości wykorzystania pomiarów sygnałów o wzajemnie nakładają- cych się widmach oraz wyznaczenia wzajemnych zależności pomiędzy tego rodza- ju sygnałami.
1.3. Omówienie treści rozprawy doktorskiej
W kolejnych rozdziałach niniejszej pracy, zostaną opisane zagadnienia związane z pro- wadzonymi badaniami oraz metody osiągnięcia założonego celu. W następnym rozdziale zostaną omówione najważniejsze zagadnienia teoretyczne, niezbędne do wyjaśnienia wy- korzystanych technik pomiarowych. Zostanie opisana także technika spektroskopii z omó- wieniem właściwości najistotniejszych substancji w organizmie, absorpcja przez ludzkie tkanki, a także systemy optyczne wykorzystywane w badaniach.
Rozdział trzeci poświęcony będzie w całości prezentacji przeglądu nieinwazyjnych technik pomiaru różnych substancji w organizmie człowieka. Będzie to opis na podstawie przykładów literaturowych, pokazujący jednocześnie, jakie znaczenie ma taka metoda po- miarów i jak wiele różnych systemów jest rozwijanych na świecie.
W rozdziale czwartym zostaną pokazane wyniki wstępnych badań oraz rozwiązania problemów powstałych w trakcie realizacji prac badawczych. Wyjaśnione zostaną zagad- nienia związane z przenikaniem światła przez tkanki. Pokazane zostaną również różne wa- rianty głowic pomiarowych oraz metod akwizycji danych.
Rozdział piąty zawierać będzie opis techniczny systemu pomiarowego zbudowanego w oparciu o innowacyjną metodę opracowaną w ramach badań. Całe urządzenie zostało skonstruowane od podstaw, ponieważ w przykładach literaturowych nie podaje się budowy urządzeń, a jedynie ich funkcjonalność w oparciu o schematy blokowe. Przybliżone zosta- nie również autorskie oprogramowanie oraz sposób rozwiązania estymacji wyników.
W szóstym rozdziale opisane zostaną wyniki otrzymane za pomocą zaproponowanego we wcześniejszych rozdziałach systemu pomiarowego. Zostaną one porównane do technik opisywanych w literaturze i rozwijanych do tej pory. Efektem jest zadowalająca estymacja stężenia wybranych substancji przy ulokowaniu układu w dowolnym miejscu na ciele.
2. Przegląd zagadnień teoretycznych
W pierwszej kolejności opisano przybliżone zagadnienia niezbędne do wyjaśnienia istoty prowadzonych badań, będących przedmiotem niniejszej pracy. Przedstawiony zosta- nie opis metody analitycznej zwanej spektroskopią, z wyjaśnieniem nie tylko samej idei tej techniki, ale również możliwości jej modyfikacji. Wyjaśnione będą zagadnienia związane z pomiarami poziomu różnych substancji w organizmie, zarówno metodami tradycyjnymi, jak również technikami nieinwazyjnymi. Poświęcona zostanie także uwaga na krótką cha- rakterystykę chorób/stanów patologicznych, jakie mogą wiązać się z występowaniem wy- branych substancji w ludzkim ciele w ilościach, które przekraczają dopuszczalne normy.
Jest to istotne z punktu widzenia wykorzystania opisywanych technik do wczesnej diagno- zy oraz ciągłego monitorowania.
2.1. Związki chemiczne oddziałujące na układ pomiarowy
Ludzkie ciało jest niezwykle skomplikowanym organizmem. Mimo tak bogatego skła- du chemicznego, większość substancji w organizmie składa się z grupy podstawowych pierwiastków, które budują omawiane związki. Ludzkie ciało składa się przede wszystkim w 60-90% z wody w zależności od wieku (ilość ta maleje w miarę starzenia) [19]. Całe bo- gactwo innych substancji, składników ciała, hormonów, to grupy cząstek, które zawierają w swoim składzie przede wszystkim takie pierwiastki jak: tlen (65% masy), węgiel (18%
masy), wodór (10% masy), azot (3% masy), wapń (1,5% masy), potas (1,2% masy) oraz wiele innych [19]. Wykrycie tych atomów w poszukiwanych związkach chemicznych by- łoby zatem niemożliwe, ponieważ chcąc znaleźć przykładowo wodór, jego obecność uka- załaby się we wszystkich związkach, w których jest zawarty. Tworzą one bowiem takie związki chemiczne jak: woda, białka, tłuszcze, węglowodany oraz sole kwasów organicz- nych i nieorganicznych [19, 51]. Konieczne jest zatem analizowanie tych substancji na podstawie wiązań pomiędzy atomami i grupami atomów tworzącymi dane związki zarów- no organiczne, jak i nieorganiczne [28, 120].
W niniejszych badaniach skupiono się na analizie zawartości wybranych substancji we krwi. Nie oznacza to jednak, że analiza ich stężenia nie będzie zakłócana przez inne związ- ki o zbliżonych maksimach absorpcji. Dzieje się tak, ponieważ układ krwionośny przenosi zdecydowaną większość substancji chemicznych w naszym ciele [144], dostarczając je do wszystkich jego komórek. Szczegółowo zostanie to wyjaśnione przy opisie metody spek- troskopii w bliskiej podczerwieni. W składzie krwi wyróżnia się płynne osocze oraz ele-
menty upostaciowione (erytrocyty, leukocyty i trombocyty) [144]. Osocze składa się w 90% z wody, w 8% ze składników organicznych (np.: białek), w 1% z innych związków organicznych (glukoza, kwas mlekowy, cholesterol itp.) oraz w 1 % ze związków nieorga- nicznych (jonów) [144].
Naturalne procesy obronne organizmu zapewniają optymalną proporcję substancji w krwiobiegu, a stan wewnętrznej równowagi nazywany jest homeostazą [144]. Powstaje ona dzięki ujemnemu sprzężeniu zwrotnemu, działającemu na wielu poziomach (komórko- wym, narządowym itd.). Dzięki temu każde odchylenie od normy, uruchamia proces przy- wrócenia organizmu do stanu równowagi, bądź adaptacji do zmieniających się warunków otaczającego środowiska [144]. Zaburzenie tej równowagi może nastąpić, gdy organizm nie jest w pełni zdrowy i któryś z mechanizmów obronnych nie pracuje prawidłowo, albo jeśli dostarczona ilość substancji przewyższa możliwości samoregulacji organizmu [83, 144]. Przykładem takich sytuacji mogą być zjawiska i choroby opisane w kolejnych roz- działach, gdzie pokazano różne przykłady niewłaściwej pracy organizmu i konieczności analizy zawartości wybranych substancji we krwi. Okresowe kontrolowanie stężeń w ta- kich przypadkach powinno odbywać się często, ponieważ nadmierna ilość może powodo- wać negatywne skutki dla zdrowia, a w skrajnych przypadkach nawet śmierć.
W badaniach prowadzonych w ramach niniejszej pracy, skupiono się na próbie ciągłe- go i nieinwazyjnego pomiaru dwóch wybranych substancji, mających znaczący wpływ na zdrowie człowieka. Związkami tymi są: glukoza (C6H12O6)[142] oraz alkohol etylowy (C2H5OH)[142]. Niski (w przypadku glukozy) lub zbyt wysoki poziom zawartości obu substancji we krwi może powodować różnego rodzaju zaburzenia, które zostały opisane w kolejnym rozdziale, poświęconym chorobom oraz stanom patologicznym organizmu.
Obecność glukozy związana jest na stałe z organizmem, ponieważ jest ona podstawowym źródłem energii dostarczanym do komórek [83]. Jej obecność jest wynikiem procesu tra- wienia oraz metabolizmu, nie można jej zatem całkowicie ograniczyć, a nadmierna ilość jest bardzo szkodliwa [60]. Alkohol jest substancją dostarczaną w całości z zewnątrz, nie występującą w stanie homeostazy. Do badań wybrano te substancje, ponieważ mają całko- wicie odmienny sposób występowania w organizmie, wywierają znaczący wpływ na jego funkcjonowanie oraz są dostępne osobiste urządzenia pomiarowe, które pozwalają na wy- konywanie pomiarów odniesienia. Wykorzystanie certyfikowanych i atestowanych mierni- ków pozwala na porównywanie wyników w trakcie trwania pomiarów, bez konieczności odsyłania próbek krwi do laboratorium.
2.2. Choroby i stany patologiczne organizmu
W tym punkcie przedstawione zostaną stany organizmu związane z występowaniem wybranych substancji w nadmiarze oraz w zbyt małej ilości (w przypadku glukozy). Zabu- rzenie ich właściwej ilości we krwi jest chorobą wyleczalną [15] lub niewyleczalną [106], w zależności od podłoża, które je wywołuje. Nadmierna zawartość etanolu ma negatywny wpływ na zdrowie i funkcjonowanie organizmu.
2.2.1. Cukrzyca
Cukrzyca jest grupą chorób metabolicznych. Cechą charakterystyczną jest podwyższo- ny poziom glukozy we krwi, czyli tzw. hiperglikemia [60]. Przyczyną tego stanu rzeczy jest upośledzenie organu odpowiedzialnego za wydzielanie insuliny, czyli trzustki. Insulina jest hormonem, który powoduje zwiększenie ilości glukozy transportowanej do wnętrza komórek, co w efekcie obniża jej poziom we krwi [52]. Ilość ta jest w organizmie zależna od spożywania posiłków lub płynów, pory dnia oraz innych czynników wpływających bez- pośrednio na pracę trzustki. Odgrywa ona ogromną rolę w gospodarce węglowodanowej i umożliwia normalne funkcjonowanie organizmu, poprzez gromadzenie nadmiaru glukozy w mięśniach. Mechanizm ten pozwala na gromadzenie energii z posiłku, którą to energię można wykorzystać, gdy organizm poddawany jest wysiłkowi lub skończy się zapas cukru zgromadzony w wątrobie [60, 83]. Schemat działania mechanizmu przedstawiono na ry- sunku 2.2.
Rys. 2.1. Podział cukrzycy oraz powody jej występowania [52, 60, 106]
Cukrzyca to choroba, która objawia się upośledzeniem trzustki, tzn. całkowitego i nie- odwracalnego zaniku wysp trzustki (cukrzyca typu I) [106] lub zmniejszeniu wrażliwości tkanek na insulinę (cukrzyca typu II) [15] (rysunek 2.1). Insulinoodporność, czyli cukrzyca II typu jest wyleczalna i nie przebiega w taki sposób jak cukrzyca typu I [15, 60].
Rys. 2.2. Mechanizm równowagi hormonalnej [132]
Cukrzyca typu I (łac. diabetes mellitus typu 1, ang. Insulin Dependent Diabetes Mellitus) to cukrzyca insulinozależna [52, 132]. Powstaje poprzez powolne uszkadzanie komórek beta wysp Langerhansa (wysp trzustkowych) [108], które odpowiedzialne są za produkowanie insuliny [106]. Insulina, jak już wcześniej wspomniano, jest hormonem, który wpływa na wchłanianie glukozy do wnętrza komórek, głównie mięśniowych. Efek- tem całkowitego zaniku wysp trzustkowych jest brak wydzielania tego hormonu przez or- ganizm. A zatem niemożliwe jest wchłanianie nadmiaru cukru we krwi przez komórki, co najprościej można zobrazować następująco: na skutek procesu trawienia po posiłku po- ziom glukozy zaczyna rosnąć. Komórki natomiast nie przyjmują glukozy w taki sposób, jak powinny. Jest o tym informowana wątroba, która dodatkowo uwalnia zgromadzoną glukozę do krwi, żeby dostarczyć ją komórkom. To z kolei powoduje jeszcze większy wzrost ilości cukru we krwi. Dodatkowo rozkładowi ulegają też białka i tłuszcze jako alter-
natywne źródła energii. Na powyższym przykładzie widać, jak proces się nasila i mimo zwiększonej ilości glukozy we krwi, komórki prawie wcale jej nie otrzymują, gdyż nie ma w organizmie hormonu, który by im to umożliwił [52, 83, 144]. Brak insuliny powoduje również szereg innego rodzaju oddziaływań na organizm. Jednak należy skupić się na naj- istotniejszej kwestii, czyli wpływie poziomu glukozy na stan zdrowia pacjenta. W omawia- nym przykładzie pokazano, jak poziom cukru wzrasta powyżej dopuszczalnego limitu, co nazywane jest hiperglikemią [60, 132]. Jej odwrotnością jest hipoglikemia, polegająca na spadku ilości cukru do bardzo niskiego poziomu, co w rezultacie jest dużo bardziej niebez- pieczne dla zdrowia i życia osoby chorej na cukrzycę.
Stężenie cukru we krwi (tzw. glikemię) określa się w miligramach na 100 ml krwi (mg/dl) albo w milimolach na litr (mmol/l) [8, 60, 132]. Normoglikemia, czyli poziom cu- kru we krwi zdrowej osoby zawiera się w przedziale od 60 do 90 mg/dl. Niższe jej stężenie determinuje hipoglikemię, a zdecydowane przekroczenie oznacza hiperglikemię. Poziom podwyższony może oznaczać np.: stan przedcukrzycowy lub cukrzycę typu II. Dokładne określenie zagrożenia związanego z podwyższoną ilością glukozy we krwi zależy od wielu czynników.
Dla każdego z tych przypadków przewidziane są odpowiednie normy według wytycz- nych WHO (ang. World Health Organization, czyli Światowej Organizacji Zdrowia) [121].
Szacuje się, że łączna liczba osób dotkniętych problemem cukrzycy wynosi 382 miliony, co stanowi ok. 8,3% populacji osób dorosłych [88]. Liczba ta stale rośnie (w roku 2035 szacuje się ją na poziomie 590 milionów osób [88]), a wg szacunków WHO cukrzyca w najbliższym dziesięcioleciu stanie się jedną z chorób, które będą powodować największą liczbę zgonów na świecie [121]. Jest to zatem bardzo poważny problem.
Hipoglikemia, inaczej zwana niedocukrzeniem, to stan, w którym poziom glukozy we krwi spada poniżej 55-60 mg/dl [60, 132]. Pierwsze objawy mogą pojawiać się już poniżej poziomu 50 mg/dl, a pełnoobjawowa hipoglikemia występuje zwykle poniżej stężenia 40 mg/dl. Najczęstszymi objawami są zazwyczaj: silne uczucie głodu, osłabienie, nudno- ści, senność, podwójne widzenie, drżenie, wzrost napięcia mięśniowego, zwiększona potli- wość, zaburzenie oddechu, a w stanie krytycznym nawet śpiączka [60, 132]. Po dłuższym czasie skutki mogą okazać się jeszcze bardziej poważne, ponieważ, gdy pacjent straci przytomność albo nie będzie w stanie wybudzić się ze snu przy bardzo niskim poziomie cukru, może nastąpić zgon (przy spadku poziomu cukru poniżej 20 mg/dl) – tzw. wstrząs hipoglikemiczny. Wynika to z faktu, iż mózg potrzebuje blisko 150 g glukozy dziennie do
normalnej pracy. Widać, że hipoglikemia może być zdecydowanie bardziej niebezpieczna dla życia pacjenta, niż hiperglikemia. Co gorsza, objawy hipoglikemii są często mylone z bardzo podobnymi objawami upojenia alkoholowego. Błędna ocena może okazać się tra- giczna w skutkach dla chorego. Dodatkowo hipoglikemia jest bardzo niebezpieczna w nocy, gdy pacjent śpi i nie może świadomie kontrolować swojego ciała oraz sygnałów, mogących sugerować, że poziom cukru spadł poniżej bezpiecznego poziomu (objawy opi- sane powyżej). Stanowi to poważny problem, mimo częstych kontroli poziomu cukru.
Z wczesnej hipoglikemii można wyjść świadomie poprzez dostarczenie glukozy w formie posiłku bogatego w cukier lub w przypadku utraty świadomości poprzez zastrzyk zawiera- jący glukagon (hormon przeciwny do insuliny) [52].
2.2.2. Zatrucie alkoholem etylowym
Alkohol etylowy, zwany również etanolem, jest substancją, która jest dostarczana do organizmu z zewnątrz, ponieważ on sam jej nie wytwarza. Nie będzie więc możliwa anali- za zbyt małej jego ilości, a jedynie sama jego obecność i jej wpływ na organizm. Alkohol nie jest trawiony i przedostaje się z układu pokarmowego (wchłanianie w żołądku oraz je- licie cienkim) bezpośrednio do krwiobiegu [83, 144]. To właśnie dlatego ma on bardzo duży wpływ na funkcjonowanie organizmu, gdyż może dotrzeć do wszystkich komórek.
Jest on filtrowany z krwi dopiero przez wątrobę, gdzie podlega metabolizmowi, a następ- nie wydalany jest z moczem oraz wydychanym powietrzem z organizmu [144]. Każda ilość tej substancji wpływa na organizm, a jej wpływ jest tym większy, im większe jest stę- żenie. Przedmiotem badań nie jest dokłada analiza wpływu alkoholu na człowieka i do- kładne definiowanie choroby nazywanej alkoholizmem. Pokazane zostaną badania nad nie- inwazyjnym sposobem ciągłego pomiaru zawartości tej substancji w organizmie. Umożli- wi to analizę zmian jej stężenia w zależności od ilości spożytego alkoholu oraz innych czynników mających wpływ na jego metabolizm przez organizm. Nieinwazyjny pomiar w czasie ciągłym byłby wygodniejszy od tradycyjnych pomiarów alkomatem zawartości alkoholu w wydychanym powietrzu i precyzyjniej określał zdolności metaboliczne badane- go pacjenta. Urządzenie takie mogłoby również stanowić środek prewencji dla osób do- tkniętych chorobą, wynikającą z uzależnienia od alkoholu.
2.3. Spektroskopia
Spektroskopia, nazywana też spektrometrią, jest techniką analityczną pozwalającą na ilościowe oraz jakościowe określenie substancji w badanej próbce [89, 120]. Rozwinęła się głównie podczas II Wojny Światowej, a od jej zakończenia po dziś dzień znalazła bardzo szerokie zastosowanie w chemii, biologii oraz medycynie [75]. Pozwala także na m. in.
wyjaśnienie struktur związków chemicznych oraz mechanizmów reakcji [28]. Wykorzysty- wana jest najczęściej w chemii analitycznej i polega na tworzeniu oraz interpretacji widm powstających w procesie przechodzenia wiązki promieniowania o określonym zakresie spektralnym przez materię [28,89]. Możliwe jest również prowadzenie obserwacji widma emitowanego przez dane związki pod warunkiem, że mają one bardzo dużą temperaturę lub są źródłem promieniowania. Ideę omawianych rodzajów badań pokazano na rysunku 2.4. Istnieje wiele rodzajów spektroskopii, a podział ten dokonywany jest zarówno ze względu na rodzaj układu materialnego, jak i metody otrzymywania widma, a także zakre- su spektralnego [28]. Celem niniejszych badań jest jednakże wykorzystanie jedynie spek- troskopii w bliskiej podczerwieni oraz w zakresie światła widzialnego, stąd tylko one zo- staną bliżej wyjaśnione.
Spektroskopia w bliskiej podczerwieni dokonywana jest dla długości fal 800 nm – 2500 nm [28, 86]. Podział widma zaprezentowano na rysunku 2.3.
Rys. 2.3. Podział widma elektromagnetycznego [25, 86]
Rys. 2.4. Podział widm w spektroskopii [25, 28, 86]
Jak przedstawiono na rysunku 2.4, w pierwszym przypadku mamy do czynienia z wid- mem absorpcyjnym, ponieważ promieniowanie pochodzące z zewnętrznego źródła prze- chodzi przez materię i jest przez nią pochłaniane na pewnych długościach fal. W drugim przypadku przedstawiono widmo emisyjne, ponieważ dana substancja sama wytwarza pro- mieniowanie. W obu wypadkach obecność pasm absorpcji/emisji wynika z właściwości badanego związku, tzn. jego składu atomowego oraz rodzajów wiązań pomiędzy poszcze- gólnymi atomami oraz grupami atomów. Należy pamiętać, że wynika to z absorpcji ener- gii, która jest skwantowana, co oznacza, że cząsteczki mogą zginać się lub rozciągać jedy- nie w określonych energiach (w tym przypadku wygodniej będzie używać określenia: dłu- gościach fal, gdyż tą miarą będą definiowane badane maksima absorpcji) [28, 86].
W związku z faktem, iż idea badań zakłada rozpoznawanie związków chemicznych, a nie poszczególnych atomów, nie będzie rozważane absorbowanie długości fal charakterystycz- nych dla widma absorpcyjnego atomów. Należy jednak mieć na uwadze, że również ono występuje w badanych obszarach spektralnych.
Widmo absorpcyjne powstające w wyniku pochłaniania części promieniowania widma ciągłego (źródła) w całym badanym zakresie jest wynikiem absorpcji wybranych długości
fal. Jak już wspomniano, składa się na to wiele czynników, m.in. absorpcja elektronowa przez poszczególne atomy jak i przez połączenia międzyatomowe. Jest to możliwe, ponie- waż fragmenty cząsteczki mogą oscylować niezależnie od pozostałej jej części [28, 86].
Dostarczenie zewnętrznej energii zgodnej z energią wiązań powoduje jej absorpcję i zmia- ny mechaniczne tych wiązań. Wynikłe w tym procesie zmiany powodują powstanie drgań o charakterze rozciągającym, zginającym, wahadłowym czy też skręcającym [28, 86], co dla wybranych przykładów zobrazowano na rysunku 2.5.
Rys. 2.5. Wybrane rodzaje drgań cząstek [21, 86]
W ten sposób pochłonięta energia, która odpowiada częstotliwości, a co za tym idzie i odwrotnie proporcjonalnej do niej długości fali, jest absorbowana przez dany związek chemiczny. Każdy związek chemiczny składa się z innej liczby atomów, grup atomów oraz połączeń pomiędzy nimi [86]. Oznacza to, że każdy związek chemiczny ma inne widmo absorpcji i dzięki niemu możliwe jest praktycznie jednoznaczne określenie go na tej pod- stawie [28, 86, 120]. Wykres obrazujący absorbancję promieniowania w funkcji długości fali nazywany jest spektrogramem. Jest on swego rodzaju odciskiem palca dla badanej sub- stancji.
W analizie powyższych pasm stosuje się określenie drgań normalnych. Tony podstawo- we odpowiadają pasmu będącego efektem wzbudzenia pojedynczego drgania normalnego, a tony kombinacyjne są wynikiem wzbudzenia kilku [132].
Spektroskop jest bardzo złożonym urządzeniem pomiarowym. Wyróżnić w nim można najważniejsze elementy składowe, a uproszczony schemat budowy takiego urządzenia po- kazano na rysunku 2.6. Składa się on ze źródła promieniowania z widmem ciągłym, np.:
żarówki wolframowej, lampy wodorowej [89]. Promieniowanie przechodzi przez badaną próbkę, która najczęściej znajduje się w specjalnym naczyniu (wykonanym z materiału, którego absorpcja jest znana i które jest transparentne dla zakresu długości fal używanych w badaniach) [89]. Następnie wiązka światła kierowana jest na wąską szczelinę w celu wy- selekcjonowania niewielkiego strumienia, które kierowane jest na element rozpraszający.
W tym wypadku jest to pryzmat, jednakże stosowane są również siatki dyfrakcyjne [28, 89]. Po rozszczepieniu widma promieniowania strumień pada na matrycę światłoczułą (układ detektorów), na której dokonywana jest detekcja sygnałów w całym widmie. Sygna- ły z przetwornika poddawane są odpowiednim transformacjom i przetwarzaniu sygnałów, co w ostateczności zamieniane jest na wynik w formie wykresu absorbancji w funkcji dłu- gości fali. Spektroskop wyposażony jest również w skomplikowane układy optyczne oraz wiele źródeł promieniowania a także różnego rodzaju detektory. Wynika to z ograniczo- nych właściwości spektralnych używanych materiałów, ponieważ najczęściej badane są bardzo szerokie zakresy widmowe od ultrafioletu (200 nm) aż do średniej podczerwieni (5000 nm i więcej) [120].
Rys. 2.6. Uproszczony schemat budowy spektroskopu [89]
Spektroskopia podzielona jest na wiele różnych metod badawczych. Najbardziej rozpo- wszechnionymi technikami w badaniach nad nieinwazyjnymi pomiarami są spektroskopia IR oraz spektroskopia z rozpraszaniem Ramana. Pierwsza z nich bazuje na analizie sub- stancji w podczerwieni (pomiar absorpcji tej samej długości fali, jaka jest emitowana przez
źródło). Spektroskopia z rozpraszaniem Ramana polega na wzbudzaniu drgań w zakresie podczerwieni, silnym źródłem światła widzialnego (np. laserem) [9, 11, 35, 85]. Dzięki temu można określić zarówno strukturę cząstek, jak i ich oddziaływanie na otoczenie.
W widmie IR przeważają głównie tony podstawowe, choć możliwa jest również detekcja słabszych nadtonów oraz tonów kombinacyjnych.
Powyższy opis spektroskopii IR umożliwia analizę badanych substancji w bardzo sze- rokim spektrum, zapewniając precyzyjne określenie zarówno ilościowe, jak i jakościowe związków chemicznych zawartych w próbce. Tego typu analiza jest konieczna, jeśli zacho- dzi potrzeba określenia nieznanych substancji. W rozważanych badaniach dokładnie wia- domo, jakie substancje będą podlegać analizie. Znając ich spektrogramy, można określić, dla jakich długości fal posiadają one optymalne z punktu widzenia pomiarów maksima ab- sorpcji. Ich wybór zależy od obecności innych substancji tak, by wybrane długości fal nie nakładały się z pasmami charakterystycznymi dla innych związków występujących w tym samym otoczeniu. Dla tak wybranych selektywnych przedziałów możliwe jest prowadze- nie analizy przy wykorzystaniu wąskopasmowych źródeł promieniowania. Zakres pracy ta- kich nadajników powinien jak najbardziej odpowiadać przedziałowi wybranych do analizy pasm absorpcji badanej substancji. Dzięki temu możliwe będzie znaczące uproszczenie prowadzonej analizy jedynie do selektywnego pasma, odpowiadającemu interesującym długościom fal. Analiza taka nie umożliwi wyznaczenia składu badanej próbki, ale pozwoli na określenie, czy jest w niej wybrana substancja oraz jakie jest jej stężenie. Technika ta pozwala znacząco uprościć zarówno niezbędny do badań sprzęt pomiarowy, jak i czas po- trzebny na analizowanie sygnałów. Wybranie kilku charakterystycznych długości fal może pozwolić na dokładną analizę kilku substancji.
W tym punkcie należałoby zadać pytanie, czy przy poczynieniu powyższych założeń w dalszym ciągu można mówić o spektroskopii. Jak wyjaśniono, polega ona bowiem na in- terpretacji całych widm, a nie wybranych pasm. Najodpowiedniejsza definicja spektrofoto- metrii również nie znajduje tu zastosowania, ponieważ definiuje się ją jako badanie zależ- ności pomiędzy tłumieniem natężenia wiązki światła przechodzącego przez próbkę a stru- mieniem odniesienia [28]. Zważywszy jednak, że spektrofotometria jest jedną z metod spektroskopii najwłaściwszym jej określeniem będzie używanie sformułowania „spektro- skopia”.
Ograniczenie techniki spektrometrii do wybranych długości fal jest podstawowym za- łożeniem niniejszej pracy. Ponieważ z góry wiadomo, jakie substancje będą analizowane
pod względem ilościowym, nie jest konieczne prowadzenie pomiarów w pełnym zakresie podczerwieni. Do pomiarów zostaną zatem wybrane takie długości fal, które umożliwiają bezpośrednią detekcję poszukiwanych związków przy jednoczesnym odróżnianiu ich od innych substancji w organizmie.
Badanie substancji przy wykorzystaniu techniki spektroskopii IR w warunkach labora- toryjnych pozwala na identyfikację substancji w próbce, którą umieszcza się wewnątrz urządzenia pomiarowego. Jedynym środowiskiem, w jakim odbywa się prowadzona anali- za, jest kuweta, w której znajduje się badany roztwór. Prowadzenie pomiarów w tkankach powoduje analizę wielu substancji, z których są one zbudowane. Jest to cały ciąg widm, których obecność może istotnie wpływać na pomiary poziomu stężenia wybranych związ- ków chemicznych. Konieczna jest zatem dokładna analiza, w jakich oknach częstotliwo- ściowych prowadzenie tego typu pomiarów jest w ogóle możliwe. Należy też określić, ja- kie obszary tak silnie tłumią promieniowanie, że analiza nie będzie możliwa. Na poniż- szych rysunkach (rys. 2.7 - 2.9.) przedstawiono obszary silnego tłumienia najistotniejszych substancji występujących w organizmie [3, 26, 48, 103, 127].
Rys. 2.7. Molowy współczynnik absorpcji dwóch typów hemoglobiny (oksy- i deoksyhemoglobiny) [103, 143]
Rys. 2.8. Współczynnik absorpcji wody [48]
Rys. 2.9. Współczynnik absorpcji tłuszczu [3, 127]
Rys. 2.10. Widmo współczynnika rozpraszania tkanki biologicznej [58]
Współczynnik absorpcji jest określany jako prawdopodobieństwo absorpcji fotonu przez tkankę na jednostkę długości [129]. Oznacza to, że różne tkanki posiadają inny współczynnik. Współczynnik rozpraszania definiowany jest przez prawdopodobieństwo rozproszenia fotonu w tkance na jednostkę długości [129]. Wykres obrazujący to rozpra- szanie został pokazany na rysunku 2.10. Efektywnym współczynnikiem tłumienia (μeff) na- zywamy wartość określoną wzorami [116]:
(1) (2)
,gdzie:
g - anizotropia tkanki biologicznej, wartość zwykle równa 0,9 μa - współczynnik absorpcji
μs - współczynnik rozpraszania [116]
Na rysunku 2.11 pokazano podsumowanie wpływu wszystkich znaczących substancji w organizmie na absorpcję promieniowania w zakresie od 400 do 2000 nm [50, 87].
μeff = √3μa(μa+μ's) μ's=μs(1−g )
Rys. 2.11. Podsumowanie absorbancji (wartość procentowa) różnych substancji dla tkanki biologicznej [50]
Bardzo ważne jest, by na podstawie powyższych danych określić, jaki przedział długo- ści fal może zostać wykorzystany do badań. Oczywistym jest, że analiza długości fal poni- żej 600 nm nie przyniesie wymiernych informacji o poszukiwanych substancjach. Możliwa byłaby detekcja jedynie hemoglobiny, która jest białkowym barwnikiem krwi (głównym składnikiem wypełniającym krwinkę czerwoną) [144], ponieważ jej bardzo silne tłumienie uniemożliwi obserwację innych zmian. Optymalnym oknem jest zatem przedział pomiędzy 600 nm a 1200 nm [30, 31, 64]. Górne ograniczenie wynika w dużej mierze z ograniczeń czułości detektorów zbudowanych na podłożu krzemowym, co zostanie wyjaśnione w ko- lejnym rozdziale, poświęconym detektorom.
2.4. Detektory światłoczułe
By możliwa była detekcja promieniowania w zakresie światła widzialnego oraz bliskiej podczerwieni, konieczne jest występowanie zjawisk fotoelektrycznych [54, 109]. W przy- padku detektorów zachodzi zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, tzn. energia padających fotonów jest na tyle mała, że nie może wzbudzić emisji, a jedynie zmiany stanów energe-
tycznych elektronów. Efektem tego jest wzrost przewodnictwa lub powstanie siły elektro- motorycznej w detektorze poddanym wpływowi zewnętrznego promieniowania [109]. To właśnie zjawisko fotowoltaiczne, powstające na złączu półprzewodnikowym, będzie naj- istotniejsze z punktu widzenia prowadzonych badań. Powstaje ono poprzez generowanie swobodnych nośników ładunku pod wpływem padającego światła. Mechanizm ten zacho- dzi, gdy energia fotonu jest równa lub większa od szerokości pasma zabronionego półprze- wodnika [109].
Fotodiody mogą pracować w dwóch trybach. Przy braku polaryzacji zewnętrznej za- chowują się jak fotoogniwo i są źródłem napięcia fotowoltaicznego (obszar pracy nr IV przedstawiony na rysunku 2.12). W drugim przypadku mogą być spolaryzowane w kierun- ku zaporowym, czego efektem jest wzrost prądu płynącego przez fotodiodę pod wpływem zwiększenia się natężenia promieniowania (rysunek 2.12 – obszar nr III). Przez nieoświe- tlony detektor płynie jedynie prąd ciemny, będący wynikiem wzbudzenia termicznego elektronów [54, 109].
Rys. 2.12. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza PN [109]
Zgodnie z opisem w poprzednim podrozdziale, do analizy wybranych substancji w or- ganizmie wykorzystane zostaną detektory z zakresu bliskiej podczerwieni oraz światła wi- dzialnego. Do badań wykorzystane zostaną zarówno czujniki o szerokim zakresie spektral- nym (400-1300 nm), jak i wąskopasmowe (850-1050 nm). Druga grupa czujników wraz z szeroko zakresowymi emiterami będzie stanowić układ komplementarny w stosunku do wariantu podstawowego, składającego się z detektorów szeroko zakresowych oraz wąsko- pasmowych nadajników.
Rys. 2.13. Zakres czułości detektorów ze względu na skład chemiczny [34]
Celem badań jest wykorzystanie podczerwieni jedynie do długości fali wynoszącej maksymalnie 1000 nm. Próg ten oznacza, że jako detektory zostaną wykorzystane czujniki bazujące na podłożu krzemowym. Możliwości wykorzystania różnie domieszkowanych detektorów w celu dokładniejszej analizy widma dla długości fal powyżej 1000 nm poka- zano na rysunku 2.13 [34].
Do różnego rodzaju detektorów promieniowania elektromagnetycznego zaliczyć moż- na przede wszystkim następujących kandydatów:
fotorezystor,
fotodioda P-N,
fotodioda P-I-N,
studnie elektronowe w matrycach CCD,
Wybrano fotodiody ze złączem P-I-N, ponieważ cechują się największą czułością oraz pracują szybciej niż ich odpowiedniki ze standardowym złączem P-N. Ich duża dostępność na rynku daje możliwość doboru detektora o najbardziej odpowiadających parametrach.
Martyce optyczne CCD (ang. Charge Coupled Device) cechują się ograniczoną możli- wością odwzorowania padającego światła ze względu na rozdzielczość próbkowania wbu- dowanych przetworników analogowo-cyfrowych. Dla tańszych układów jest to rząd 8-10 bitów, co istotnie ogranicza dokładność prowadzonych pomiarów. Matryce CCD umożli- wiają analizę z większej powierzchni, jednak dla charakteru prowadzonych badań ta wła- ściwość nie jest istotna.
Fotorezystory zostały odrzucone ze względu na małą czułość oraz pracę w większym zakresie, niż zakładano. Wiązało się to z ryzykiem zakłóceń oraz brakiem takiej czułości jak w przypadku fotodiod ze złączem P-I-N. Przebadano opisane powyżej detektory w praktyce i zdecydowano się na wybór ostatecznego rozwiązania, czyli dwóch diod P-I-N. Charakterystykę jednej z nich, czyli szerokozakresowej pokazano na rysunku 2.14.
A drugą wąskopasmowej przedstawiono na rysunku 2.15.
Rys. 2.14. Czułość w funkcji długości fali dla detektora szerokopasmowego [37]
Rys. 2.15. Czułość w funkcji długości fali dla detektora wąskopasmowego [128]
2.5. Źródła promieniowania
W ramach badań nad budową systemu pomiarowego zdecydowano się na zastosowanie zarówno źródeł o bardzo szerokim spektrum (żarówka wolframowa), jak i nadajników o selektywnych spektrach (diody LED), a także diody LED z umiarkowanie szerokim za- kresem widmowym. Diody elektroluminescencyjne są elementami półprzewodnikowymi bazującymi na zjawisku wymiany energii nośników ładunku na energię promieniowania w procesie rekombinacji promienistej [109]. Proces rekombinacji wiąże się z przejściem elektronu z pasma przewodnictwa do pasma podstawowego i zanikiem pary elektron-dziu- ra. Emisja kwantu promieniowania jest możliwa jedynie w przypadku, gdy oba nośniki mają zbliżony pęd, np. jak w arsenku galu (GaAs) [109]. Zmieniając różnicę poziomów poprzez różnego rodzaju domieszkowanie innymi pierwiastkami, możliwa jest zmiana dłu- gości fali emitowanej przez diodę [109]. Cechą charakterystyczną dla diod LED jest wąski zakres długości fal promieniowania [99, 131]. Charakterystyka kątowa promieniowania za- leży w dużej mierze od obudowy, w jakiej umieszczone jest złącze półprzewodnikowe, a także od rodzaju użytej soczewki.
W związku z długotrwałym naświetlaniem tkanek żywego organizmu nie zdecydowano się na wybór diod laserowych jako źródeł światła. Wprawdzie ich zakres spektralny jest dużo bardziej selektywny w porównaniu do diod LED, jednak charakteryzują się one dużo większą gęstością promieniowania. Mimo małej mocy używanej w badaniach, tak duża koncentracja promieniowania w jednym punkcie w trakcie kilkugodzinnej sesji pomiaro- wej mogłaby mieć wpływ na naświetlane komórki [29]. W literaturze opisuje się wpływ silniejszych źródeł promieniowania (np. laser CO2 lub lasery półprzewodnikowe) [76, 102], które stosowane mogą być do leczenia różnego rodzaju schorzeń bądź zmian w tkan- kach. Zaniechano więc wykorzystania tego typu źródeł światła (diod laserowych) ze względu na bezpieczeństwo osób poddawanych badaniom. Ich gęstość promieniowania jest bowiem dużo wyższa, niż w przypadku diod LED.
W literaturze można spotkać pojęcie LLLT (ang. Low Level Laser/Light Therapy), czy- li wykorzystania silnych diod LED oraz laserów o małej mocy do celów leczniczych [114].
W przykładach podaje się jedynie maksymalną gęstość promieniowania na poziomie 100 mW/cm2 [49, 114]. Niestety, nie natrafiono na minimalną wartość niewywołującą efektów w organizmie. Biorąc pod uwagę jednak fakt, iż opisywane poziomy emisji świa- tła z zakresu bliskiej podczerwieni oraz światła widzialnego wpływają pozytywnie na na- świetlane tkanki, można uznać stosowanie mniejszych mocy niż używane w LLLT za bez-
pieczne i niezagrażające zdrowiu bądź życiu. W prowadzonych badaniach będą bowiem używane emitery o długościach fal wykorzystywanych w LLLT (600 - 1150 nm) [49, 118]
o bardzo małej mocy emitowanej fali elektromagnetycznej.
Na rysunku 2.16 pokazano wybrane widma żarówek oraz białych diod LED. Widmo wybranej diody LED z zakresu podczerwieni pokazano na rysunku 2.17.
Rys. 2.16. Widma wybranych źródeł światła białego [36]
Do badań wykorzystano zatem następujące nadajniki:
dioda LED 525 nm,
dioda LED 620 nm,
dioda LED 640 nm,
dioda LED 660 nm,
dioda LED 840 nm,
dioda LED 875 nm,
dioda LED 940 nm,
dioda LED 950 nm,
dioda emitująca światło w zakresie koloru niebieskiego z żółtym luminoforem, co dla ludzkiego oka postrzegane jest jako barwa biała. To widmo pokazano na rysun- ku 2.16,
żarówka wolframowa.
Zastosowanie selektywnych źródeł promieniowania pozwoliło na prowadzenie badań zarówno w zakresach spektralnych, gdzie badane substancje posiadają maksima absorpcji, jak i tam, gdzie mogą zachodzić procesy istotne z punktu widzenia kalibracji względem ludzkiego ciała.
Rys. 2.17. Wybrane widmo diody LED [98]
2.6. Tradycyjne pomiary poziomu stężenia substancji w organizmie
Badania prowadzone w ramach niniejszej pracy opierają się na założeniach związanych z analizą ilościową substancji za pomocą spektroskopii IR. Znane są zakresy długości fal, w których pomiary powinny być prowadzone, stąd wyniki zbierane w trakcie pomiarów, powinny odpowiadać zmianom poziomu stężenia badanych substancji. By jednoznacznie potwierdzić, że badane zmiany mają faktyczne odzwierciedlenie w zmieniających się stę- żeniach tych substancji, konieczna była weryfikacja za pomocą tradycyjnych metod po- miarowych prowadzonych w trakcie badań. Do tego celu wykorzystano dostępne na rynku
urządzenia medyczne, jak i również niemedyczne (posiadające certyfikat kalibracji), które określają zawartość badanych substancji w próbce pobranej z krwi lub w wydychanym po- wietrzu. Szczegółowy opis tych urządzeń pomiarowych, będących źródłem pomiarów refe- rencyjnych, przedstawiono w podrozdziałach.
2.6.1. Alkomat
Alkomat jest urządzeniem do pomiaru zawartości alkoholu w wydychanym powietrzu.
Miarą zawartości etanolu we krwi jest najczęściej promil, czyli 100 miligramów alkoholu na 1 decylitr krwi [132]. Jego ilość w wydychanym powietrzu jest proporcjonalna do za- wartości w krwiobiegu, ponieważ przechodząc przez płuca, część alkoholu przedostaje się przez membrany płucne do powietrza i jest wydychana wraz z powietrzem. Dzięki temu możliwy jest jego pomiar za pomocą detektorów gazu, w tym wypadku alkoholu etylowe- go [2]. Metoda ta jest drugą najbardziej wiarygodną metodą pomiaru zaraz po badaniu próbki krwi [132].
Wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje alkomatów, które mierzą zawartość alkoholu w wydychanym powietrzu. Wyposażone są one w detektory półprzewodnikowe oraz elek- trochemiczne. By móc je scharakteryzować, konieczne jest porównanie ich czterech naj- istotniejszych cech [113]:
czułość → parametr określający próg pomiaru, czyli do jakiej części promila możli- we jest określenie zawartości alkoholu w wydychanym powietrzu,
dokładność → błąd pomiarowy jakim obarczony może być pojedynczy wynik po- miaru,
stabilność → czas pomiędzy kalibracjami urządzenia w specjalistyczny laborato- rium, w którym dokonuje się porównania wyników wskazywanych przez urządze- nie do próbek wzorcowych,
żywotność → maksymalna liczba pomiarów, jaką dany sensor jest w stanie wyko- nać przy zachowaniu swoich parametrów czułości oraz dokładności.
Pierwsza grupa sensorów jest zdecydowanie mniej precyzyjna, ponieważ posiada więk- szy błąd pomiarowy (do 20%), mniejszą czułość oraz stabilność (wynoszącą 300 pomia- rów pomiędzy kalibracjami) a także krótszą żywotność [113]. Detektory elektrochemiczne charakteryzują się większą czułością, mniejszym błędem pomiarowym (5%), większą sta- bilnością (do 600 pomiarów pomiędzy kalibracjami) oraz żywotnością pozwalającą na pra-
cę do kilku kalibracji [113]. Sensory elektrochemiczne wykazują wyraźnie lepsze właści- wości, stąd w alkomatach policyjnych oraz dowodowych wykorzystuje się tego typu detek- tory [61]. Lepsze parametry oznaczają też wyższą cenę, co wiąże się bezpośrednio z jako- ścią pomiarów [2, 61, 113].
Rys. 2.18. Świadectwo kalibracji urządzenia pomiarowego
W związku z powyższym zdecydowano się na wykorzystanie alkomatu z sensorem elektrochemicznym jako urządzenia do pomiarów referencyjnych. Dodatkowym atutem był certyfikat kalibracji alkomatu, dzięki czemu stanowi on pewne i laboratoryjnie skali- browane urządzenie pomiarowe (rys. 2.18), które jest dobrym źródłem odniesienia dla pro- wadzonych badań. Podczas prowadzenia pomiarów należy jednak pamiętać, że powinno się je wykonywać po czasie 20-30 minut od ostatniego spożywania płynów oraz posiłków, ponieważ mogą one zakłócić wynik. Z tego powodu pomiary referencyjne będą wykony- wane dopiero po wskazanym czasie w porównaniu do metody nieinwazyjnej, która będzie analizować stężenie od samego początku.
2.6.2. Glukometr
Do wykonywania pomiarów referencyjnych glukozy zostanie wykorzystany glukometr firmy Bayer o nazwie Contour TS. Za pomocą specjalnego narzędzia wykonuje się małe
nakłucie na opuszku palca. Następnie wyciska się niewielką ilość krwi na specjalny jedno- razowy pasek pomiarowy, który wsuwa się do glukometru. Wynik uzyskiwany jest po chwili i pokazany na wyświetlaczu LCD (ang. Liquid Cristal Display – wyświetlacz cie- kłokrystaliczny) w jednej z dwóch skal do wyboru: miligramach na 100ml krwi (mg/dl) albo w milimolach na litr (mmol/l) [8]. Dzięki temu osoba chora na cukrzycę wie, jakie jest stężenie poziomu glukozy w organizmie. Urządzenia tego typu charakteryzują się maksymalnym błędem pomiarowym w zakresie +/- 15%. Glukometr stanowił system po- miarowy do analizowania poziomu stężenia glukozy we krwi jako wyników referencyj- nych. Na poniższej fotografii (rys. 2.19) przedstawiono omawiany glukometr firmy Bayer.
Rys. 2.19. Glukometr [8]
3. Przegląd technik nieinwazyjnego pomiaru stężenia substancji w organizmie
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 zmienia 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 miejscami 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:
