Sensor System for Reliable Intraperitoneal Glucose Sensing

Hovedmålet med prosjektet er å bidra til utviklingen av et robust spektroskopisk målesystem for langtidsbruk i mennesker. Arbeidet inngår i forskningsgruppen Artificial Pancreas Trondheim (APT) med det langsiktige målet om å utvikle et system for sikker og robust kunstig bukspyttkjertel, hvor pasienten oppnår normale eller nær normale glukosenivåer uten samtidig fare for alvorlige hypoglykemier. Prosjektet har fokusert på bruk av nær-infrarød (NIR) absorpjonsspektorskopi kombinert med en fiberoptisk probe. Dagens enzymbaserte elektrokjemiske sensorer for kontinuerlige glukosemåling (CGM) har både begrenset levetid og nøyaktighet. Derfor er reagensfrie spektroskopiske metoder for CGM svært attraktive. Spesielt representerer NIR spektroskopi (NIRS) kombinert med en fiberoptisk probe en løsning som kan møte krav til både nøyaktighet, levetid, miniatyrisering og kostnad. Det har vært investert mye forskningsinnsats i bruk av NIRS for ikke-invasiv måling av glukose, uten at det så langt har resultert i løsninger for diabetikerne. Bruk av NIRS for minimalt invasive metoder for glukosemåling har fått mye mindre oppmerksomhet i forskningslitteraturen. Potensialet for NIRS teknologien anvendt på minimalt invasive CGM løsninger er derfor ukjent. Ut ifra en total vurdering av teknologisk modenhet og systemkompleksitet fremstår i dag NIRS i første overtonebåndet fra 1500 – 1800 nm som det beste bølgelengdeområdet. Vårt arbeid har derfor fokusert på dette bølgelengdeområdet i utvikling av i) fiberoptiske prober kompatible med kravet om en minimalt invasiv løsning, og ii) metoder for bruk av nye lyskilder med høy spektral effekttetthet, såkalte superkontinuum kilder, med fiberoptiske prober. Ved optimalisering av teknikker for bearbeiding av ende-flatene på de optiske fibrene har vi vist av det er mulig å realisere miniatyriserte og optimaliserte fiberoptiske prober med lang optisk gangvei og lave innskuddstap som møter systemkravene for NIRS av glukosemåling med klinisk relevante konsentrasjoner. Bruk av superkontinuum kilder for NIRS er utfordrende på grunn av mye kildestøy, men gjennom prosjektet har vi vist at det meste av denne begrensningen kan kontrolleres ved en optimal kombinasjon av balansert deteksjon, design av absorpsjonscelle (fiberoptisk probe) og signalbehandling. Basert på dette gjennomførte vi en vellykket demonstrasjon av NIRS basert CGM i laboratoriet. Så vidt vi vet er dette første gang en slik NIRS CGM demonstrasjon er publisert. En utfordring med NIRS for glukosemåling med klinisk relevnte konsentrasjoner er det lave absorpsjonstversnittet i dette spektralområdet. Derfor har vi undersøkt en metode for å forsterke absorpsjonen gjennom bruk av såkalte overfalte plasmon resonanser (SPR) som er elektromagnetiske bølger som utbrer seg i grenseflaten mellom dielektrikum og metall. I et proof-of-concept eksperiment viste vi at en forsterkning med en faktor 3 er mulig i en fiberoptisk probe. Dette vil kunne bidra til en ytterligere ytelsesforbedring av NIRS basert CGM, utover det vi har vist med kombinasjon av fiberoptisk probe og superkontinuum kilde. Total sett har prosjektet bidratt med nye innovative sensor løsninger for kontinuerlig måling av glukose i væske. Bidragene dekker hele verdikjeden fra probe- og systemdesign, praktisk implementering, til realisering av eksperimenter som demonstrerer nytteverdi. På kort sikt vil prosjektresultatene åpnet veien for mer fokusert utvikling av NIRS for CGM. På lang sikt kan resultatene bidra til vellykket kommersialisering av CGM sensorer med høy nøyaktighet og lang levetid og derigjennom redusere belastningen for diabetespasientene. Vellykket utvikling av minimalt invasive glukose sensorer med lang levetid og god nøyaktighet vil ha store positive konsekvenser for den enkelte pasient og for samfunnet som helhet. Det er sannsynlig at nær-infrarød spektroskopi teknologier, som utviklet i dette prosjektet, er en del av fremtidens løsning. Robuste, minimalt invasive glukosesensorer vil fjerne mye av byrden med diabetes tupe 1 og derigjennom øke livskvaliteten. Bedre blodsukkerkontrol vil kunne bidra til reduksjon av senskader av diabetes type 1. Diabetes er i dag en stor økonomisk belastning for samfunnet med globalt 40 millioner mennesker med diabetes type 1. Forbedret glukosesensorteknologi med lang levetid vil kunne bidra til bedre og billigere (mindre bruk av engangsutstyr) systemer for full-automatisk regulering av blodsukkernivå hos diabetes type 1.