Elektronische Zunge: Wie man elektrochemische Muster zur Diagnose nutzen kann

Direkt auf der Haut Krankheiten erschmecken

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Krankheiten beeinflussen die Ionenkonzentrationen in Körperflüssigkeiten und im Gewebe. Mit einer elektronischen Zunge lässt sich das erfassen – was besonders elegant ist, wenn schon eine Messung auf der Haut zu einer Aussage führt.

Ob wir Bratenduft riechen oder Schokolade schmecken: Beide Sinneswahrnehmungen laufen nach dem gleichen elektrochemischen Prinzip. Ionen führen dazu, dass elektrische Spannungen entstehen und ein Signal weitergegeben wird. Die gasförmigen Stoffe, die der Braten abgibt, und die Bestandteile der auf der Zunge schmelzenden Süßigkeit weisen für uns einen charakteristischen „Geschmack“ auf, der durch die einzigartige Mischung von Ionen entsteht.

Das lässt sich grundsätzlich auf alle Elektrolyte und deren Ionen übertragen und auch technisch zur Informationsgewinnung nutzen. Da der Mensch zu einem hohen Prozentsatz aus Wasser besteht und sich in diesem Ionen bilden, lässt sich der Körper in fast allen Teilen mit einer elektrochemischen Messmethode untersuchen – wie mit einer elektronischen Zunge. Damit werden seine Zustände beschreibbar, was sich zu diagnostischen Zwecken nutzen lässt.
Ein entsprechendes System kann als Taschengerät konstruiert werden, wie die Arbeiten im Projekt „Elektronische Zunge“ gezeigt haben. Dieses wurde vom Bundeswirtschafsministerium gefördert und vom Jena Sensoric e.V. begleitet. Ihr Messkopf besteht aus einer Reihe von Elektroden aus verschiedenen Metallen, zum Beispiel aus Molybdän, Tantal, Platin, Gold, Wolfram oder anderen. Alle diese Elektrodenmaterialien reagieren unterschiedlich und nur schwachselektiv auf verschiedene Ionen. Doch können aus den von den einzelnen Elektroden gelieferten Spannungen Muster abgeleitet und mathematisch bearbeitet werden, um dann Rückschlüsse auf die Gesamtheit der anwesenden Ionen zu ziehen.
Eine der Elektroden wird dabei als Referenz geschaltet. Alle anderen liefern elektrische beziehungsweise elektrochemische Spannungswerte, die zur Referenz ins Verhältnis gesetzt werden. Sie werden innerhalb von Millisekunden ermittelt und durch Rechner bearbeitet. Aus der Gesamtheit der Werte ergibt sich ein Muster aus elektrochemischen Vektorkomponenten. Die Muster lassen sich zu Klassen gruppieren, und auf dieser Basis wird eine Zustandsbeschreibung möglich. Umgangssprachlich wird hierfür oft der Begriff des „Fingerprint“ verwendet. Was der jeweils aussagt, muss natürlich vom System erst erlernt werden. Sobald eine Vielzahl von Mustern mit der zugehörigen Bedeutung im elektronischen Speicher hinterlegt ist, lässt sich aber jedes neue Muster damit vergleichen. Mathematische Klassifizierungsverfahren ordnen das neue Ergebnis dann den bekannten hinterlegten Mustern zu.
Eine Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens ist die Diabetikercharakterisierung. Glukose im Blut ist üblicherweise in einer Konzentration um 0,1 % vorhanden. Diesen geringen Wert unblutig zu messen, wird seit Jahren versucht, zum Beispiel über optische Methoden durch die Haut hindurch. Jedoch gibt es sehr viele Moleküle, die dem Zucker ähnlich sind, so dass die Zielgröße innerhalb der optischen Signalantworten der Moleküle weitgehend untergeht.
Einen alternativen Ansatzpunkt für ein nicht-invasives Verfahren bietet die Energieversorgung der Hautzellen. Diese wird durch das Hormon Insulin gesteuert, das die Gesamtheit der Ionen in der Hautzelle beeinflusst. Veränderungen lassen sich über die Hautpotenziale elektrochemisch nach der Nernstschen Gleichung – und somit mit Hilfe einer elektronischen Zunge – detektieren.
Dass dieser Ansatz grundsätzlich funktioniert, zeigt ein standardisierter Glukosetoleranztest. Bei einem Stimulus von 200 g Glukose reagiert der Körper auf den Reiz und versucht, den Blutzuckergehalt über die Insulinproduktion wieder einzuregeln. Parallel zu den Veränderungen des Hormonspiegels und des Blutzuckerwertes ändern sich die Messwerte, die sich auf der Haut mit Elektroden abnehmen lassen. Gesunde Menschen und Diabetiker unterscheiden sich messbar in ihrem Regelverhalten. Das lässt sich ausbauen zu einer Zustandsbeschreibung des Diabetikers zu den verschiedenen Insulininjektionszeitpunkten.
Entscheidend ist, dass der Diabetiker weiß, welche Insulindosis er im Moment benötigt, um seinen Normalzustand zu halten. Was genau der Normalzustand für den Patienten ist, muss der Arzt definieren und braucht dafür in der Anlernzeit klassische invasive Verfahren. Wie sich der diesen Werten entsprechende Zustand in Messwerten auf der Haut darstellt, lässt sich dann für das Individuum mit Muster-Fingerprints darstellen. Im technischen System werden sie als Klassen zusammengefasst und mit den invasiv erhaltenen Daten und den nicht-invasiv gemessenen in Relation gesetzt.
Jeder neue nicht-invasive Fingerprint wird mit gespeicherten Mustern verglichen. Selbst wenn er mit keinem deckungsgleich ist, liefert die Auswertung Ähnlichkeiten und zeigt, in welchem Zustand sich der Patient befindet und welche Insulingabe erforderlich ist. Die Blutglukosekonzentration selbst ist dabei nicht mehr ganz so wichtig.
Auch bei der Blutreinigung mit einer Dialysemaschine wird der elektrochemische Zustand einer Zelle durch den Blutfluss verändert. Das zeigen die Zeitverläufe einzelner Elektrodenspannungen, die sich mit der elektronischen Zunge messen lassen. Da die Messkanalspannungen jeweils unterschiedliche Funktionen der Ionen im Hautelektrolyten sind, müssen sie für die Interpretation – wie bei der Diabetikerzustandserkennung– mit weiteren Informationen aus der Dialyseversorgung ergänzt werden.
Während bei der Diabetikerzustandserkennung die medizinische Evaluation läuft, ist bei der Dialyse noch Vorarbeit zu leisten. Erste Messungen zur Tumordiskriminierung mit der elektronischen Zunge zeigten vielversprechende Ergebnisse.
Dr.-Ing. habil./Dr. sc. techn. Horst Ahlers, Multisensoric, Jena Rolf-Dietrich Berndt, Infokom, Neubrandenburg Wolfgang Kratzenberg, Schauenburg
Weitere Informationen Über die Unternehmen, die an der Entwicklung der elektronischen Zunge beteiligt waren: www.multisensoric.de www.infokom.de
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