Case Study – DiaMonTech entwickelt nicht-invasive Blutzuckermessung mit M-IR Laser

Mehr als 400 Millionen Menschen weltweit leiden an Diabetes. Ihren Blutzucker ohne Nadel ("nicht-invasiv") messen zu können, wäre für die Patienten eine enorme Erleichterung. Dank der patentierten Entwicklung der DiaMonTech AG könnte sich dieser Wunsch für viele bald erfüllen. Schon heute ist die Technologie, die einen Infrarot-Quantenkaskadenlaser nutzt, in Form eines Tischgeräts verfügbar. In Kürze soll ein Smartphone-großes Messgerät folgen. Um diese Miniaturisierung ohne Qualitätsverluste zu erzielen, müssen selbst minimale Veränderungen des Laserstrahls präzise erfasst werden. DiaMonTech misst und charakterisiert alle Laserentwicklungen mit der Ophir Pyrocam.

Perfekte Produktinszenierung
Zahlreiche Ansätze, den Blutzuckerwert nicht-invasiv zu messen, sind bislang an ihrer Ungenauigkeit gescheitert. In Körperflüssigkeit wie Tränenflüssigkeit, Speichel oder Schweiß korrelieren die Glucosewerte nicht ausreichend mit der Blutglucose. Anders bei der Haut-flüssigkeit (Interstitielle Flüssigkeit – ISF). Hier entsprechen die gemessenen Werte an gut durchbluteten Stellen der Glucose im Blut. Nach jahrelangen Forschungen an der Goethe-Universität Frankfurt wurde 2015 DiaMonTech gegründet. Das Unternehmen entwickelte das erste auf dieser Forschung beruhende, nicht-invasive Blutzuckermessgerät, das seit 2019 eine CE-Zulassung als Medizingerät hat.

Laser Instead Of Finger Pricks – Diamontech Develops Non-Invasive Blood Glucose Monitor That Uses M-Ir Lasers
Abb. 1: Nicht-invasives Blutzuckermessgerät D-Base von DiaMonTech

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Innovation mit Tiefgang
Die Funktionsweise des D-Base – so der Name des Tischgeräts, basiert auf der Infrarotspektroskopie, genauer nach dem Prinzip der photothermischen Deflektion. Dazu werden mit einem Quantenkasadenlaser Infrarotpulse in verschiedenen Wellenlängen zwischen 8-11 μm in tiefere Hautschichten eingestrahlt. Die Pulse dieser Wellenlängen passieren das Sensorelement und regen gezielt die Glucosemoleküle kurzzeitig zum Schwingen an; bei der schnellen Relaxation wird Wärme in geringer Menge an die Umgebung abgegeben. Diese Wärme erzeugt einen minimalen Temperaturanstieg an der Hautoberfläche und führt im Sensorelement (Internal Reflection Element – IRE) durch einen thermischen Gradienten zu einer thermischen Linse. Der Prüfstrahl einer roten Laserdiode wird bei der Passage durch das IRE in dieser thermischen Linse abgelenkt, die Ablenkung wird von einer positionsempfindlichen Photodiode gemessen und das Messgerät berechnet daraus die Glucosekonzentration.

"Die Pyrocam erleichtert uns die tägliche Arbeit. Wir verschwenden nicht länger mehrere Stunden mit aufwendigen Messungen, sondern erhalten in kürzester Zeit verlässliche Ergebnisse."
Sergius Janik, COO bei DiaMonTech AG

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Abb. 2: Funktionsprinzip der nicht-invasiven Blutzuckermessung von DiaMonTech

Miniaturisierung als Ziel
Das Messprinzip hat sich mittlerweile auch im klinischen Alltag bewährt und zahlreiche Tests zeigen, dass die Messungen zuverlässige Ergebnisse liefern. Allerdings, so erklärt Sergius Janik, COO bei DiaMonTech, erweist sich die Größe des Messgeräts noch als Herausforderung: "Diabetes-Patienten wünschen sich schnelle und kompakte Messtechnik, die sie zuhause und unterwegs einfach nutzen können. Darauf konzentriert sich aktuell unsere gesamte Forschung." Durchstimmbare Quantenkaskadenlaser, wie sie DiaMonTech beim D-Base verwendet, werden insgesamt nur von wenigen Laserherstellern angeboten. Um das gesamte Messgerät zu verkleinern, ist es entscheidend, einen Laser mit möglichst geringen Abmessungen zur Verfügung zu haben. Die spezifischen Parameter des Laserstrahls dürfen sich durch die Verkleinerung allerdings keinesfalls ändern. Und auch die bisher genutzten klassischen Quantenkaskadenlaser müssen die Spezifikationen exakt einhalten.

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Entscheidende Messungen
Um die Qualität des Quantenkaskadenlasers beurteilen zu können, werden sämtliche Laser im DiaMonTech Labor eingehend vermessen. Es gilt dabei, die folgenden Fragen zu beantworten:

  • Wie sieht das Strahlprofil des Lasers aus?
  • Welche Ausgangsleistung bringt der Laser?
  • Wie divergent ist der Strahl?
  • Wie ist die Puls-Wiederholrate?
  • Wie ist die Puls-zu-Puls-Stabilität bzw. die Pulsform?
  • Wie groß ist der Fokusspot auf der Haut?

In den Anfangszeiten des Unternehmens setzte das Team auf die Knife-Edge-Methode bei der Lasermessung, um die Strahlprofile zu erhalten. Durch die Vielzahl der erforderlichen Messpunkte dauert die Messung eines Laserstrahls mit dieser Technik mehrere Stunden. Gerade bei der Entwicklung des neuen kompakten Blutzuckermessgeräts wäre durch die Anwendung dieser Technik viel Zeit verloren gegangen, und gleichzeitig wären Aussagen nicht präzise genug. Nach einer eingehenden Recherche und verschiedenen Tests im eigenen Labor entschieden sich die Experten für die Ophir Pyrocam- III-HR-C-A-PRO. Mit dieser pyroelektrischen Matrix-Kamera mit hoher Auflösung lassen sich die Strahlprofile der Infrarot- Laser zuverlässig und schnell messen. Für die Anwendung bei DiaMonTech wurde die Kamera individuell auf die passende Signalhöhe kalibriert. Die Auswertungen der Kameradaten erfolgt mittels der BeamGage Software. Ausgangsleistung, Strahlprofil und Strahldivergenz lassen sich mit der Kamera in wenigen Sekunden ermitteln. Sergius Janik erkärt: "Die Ophir Pyrocam ist zentrales Messgerät zur Charakterisierung des Laserstrahls und täglich im Einsatz. Wir nutzen sie bei der Entwicklung unserer neuen Prototypen, aber ebenso bei der Qualitätsprüfung und der Fehlersuche. Um präzise und zuverlässige Justierungen durchzuführen, stellen wir die Pyrocam bei Bedarf auch unseren Entwicklungspartnern zur Verfügung."

 

Fehlersuche einfach gemacht Als Beispiel für die enorme Zeitersparnis durch das Messgerät schildert Sergius Janik einen konkreten Anwendungsfall. Bei den Testreihen mit einem neuen Laser im DiaMonTech Labor gelang es den Ingenieuren nicht, den Laserstrahl zu fokussieren. Die Leistungsverteilung des Strahls war sehr unregelmäßig, ein Grund dafür war auf den ersten Blick nicht erkennbar.

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Abb. 3: Während der Strahl in y-Richtung die angestrebte gaußförmige Verteilung aufweist, zeigt das Profil der x-Achse ein sehr ungleichmäßiges Profil.

Aufschluss drüber brachten erst Aufnahmen mit der Pyrocam. Statt eines gewünschten, möglichst symmetrischen Gauß'schen Strahlprofils zeigte sich ein stark verzerrter Strahl (siehe Abb. 4 links).

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Abb. 4: Aufnahme des ursprünglichen Strahlprofils mit der Pyrocam links vor, rechts nach Linsenjustage.

Die Messungen ließen den Schluss zu, dass die Kollimationslinse des Strahls – eventuell durch den Transport - nicht mehr korrekt justiert war. Das Lasersystem wurde zum Hersteller zurückgesandt, die Linse neu justiert und anschließend zeigten die Pyrocam Messungen ein gleichmäßiges Strahlprofil wie in Abbildung 4 rechts erkennbar.

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Abb.5: Strahlenwanderung eines Lasers

Durchstimmbare Laser einfach vermessen
Eine weitere Herausforderung, die sich bei der Entwicklung des kompakten Blutzuckermessgeräts stellt, ist die Änderung der Strahlposition mit der ausgewählten Wellenlänge. Um die Glucose in der Haut zu detektieren, sind Messungen mit unterschiedlichen Wellenlängen im Infrarotbereich notwendig. Sobald man die Wellenlänge eines durchstimmbaren Lasers verändert, wandert der Strahl ("beam hopping"). Er tritt demzufolge an einer geringfügig anderen Position in die Haut ein (bis zu ca. ¼ mm), und es kommt – ähnlich einer falsch korrigierten Fehlsichtigkeit – zu einer Unschärfe der thermischen Linse. Das Team von DiaMonTech verändert die Wellenlängen und misst mit der Pyrocam die Fokusposition, die mit dem Fadenkreuz gekennzeichnet ist. Die Positionsänderung des Fadenkreuzes wird von der BeamGage Software aufgezeichnet, so dass diese genau nachvollzogen werden kann. Basierend auf den Erkenntnissen dieser Messungen lassen sich die Wellenlängen bestimmen, die die präzisesten Messergebnisse liefern.

Schnellere Messungen für effizientere Entwicklung
Auf dem Weg zur Miniaturisierung der nicht-invasiven Blutzuckermessung ist die kamerabasierte Messung des Strahlprofils unerlässlich. Vor der Anschaffung eines Messgeräts testete DiaMonTech die am Markt verfügbaren Lösungen. Das Ophir Messgerät überzeugte durch einen passenden Wellenlängenbereich, eignete sich für den benötigten Leistungsbereich und bot ein sehr gutes Preis- Leistungsverhältnis. Sergius Janik weiß die Messtechnik zu schätzen: "Die Pyrocam erleichtert uns die tägliche Arbeit. Wir verschwenden nicht länger mehrere Stunden mit aufwendigen Messungen, sondern erhalten in kürzester Zeit verlässliche Ergebnisse. So können wir uns auf die wesentlichen Entwicklungsarbeiten konzentrieren."

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