Der demografische Wandel und das Populationswachstum stellen eine globale Herausforderung für die Gesundheitssysteme dar. Eine vielversprechende Lösungsstrategie liegt in der digitalen Überwachung, Prävention und Therapie akuter und chronischer Erkrankungen durch die Nutzung von innovativen Technologien aus dem Bereich der personalisierten Medizin.
Die Digitalisierung in der Überwachung von Vitalparametern mittels Sensorik besitzt großes Potential für die längere Gesunderhaltung der Patienten und somit die Entlastung der Gesundheitssyteme im Ganzen.
Da Wassermangel für eine Vielfalt von Krankheiten einen Katalysator darstellt, ist die Hydratation ein wichtiger aber bislang nur invasiv zugänglicher Vitalparameter. Zur Etablierung nicht invasiver Messungen des Wasserhaushaltes am Menschen wurde im Rahmen dieser Arbeit die Eignung der Mikrowellentechnologie untersucht.
Dehydratation resultiert in der Veränderung des Osmolythaushaltes und beeinflusst biochemische Prozesse, was zur Entstehung von Morbidität führen kann. Im Rahmen der Arbeit werden Teilbereiche der Entwicklung eines Medizinproduktes abgebildet. Zu diesem Zweck wird die Machbarkeit der mikrowellenbasierten Analyse des Wasserhaushaltes in einer technischen Machbarkeitsstudie untersucht, um im zweiten Prozessschritt einen technischen Demonstrator in vitro und in vivo am Probanden erproben zu können. Hochfrequente elektromagnetische Wellen interagieren mit Molekülen, speziell Wasser. Enthält eine Probe freie Wassermoleküle, kann dies im reflektierten Signal detektiert werden. Zur Überprüfung des Sensorsystems in vitro dienen humane 3D-Vollhautmodelle mit spezifischer Hydratation und Gewebedichte der Matrixkomponenten als standardisiertes Modell zur Untersuchung definierter Exsikkoseszenarien und des Einflusses verschiedener Modellkomplexitäten. Die Eignungsüberprüfung des Systems mit einem technischen Demonstrator des künftigen Medizinproduktes belegt die Anwendbarkeit des Messsystems zur Erfassung des relativen Wassergehaltes. Die Technologie zeichnet sich durch eine hohe Sensitivität bei der Destinktion von Proben mittels Frequenz- und Signalreflektionsdifferenzen aus. Neben den In-vitro-Testungen wird das entwickelte Sensorsystem aus regulatorischer Sicht zur klinischen Leistungsüberprüfung vorbereitet und im Rahmen eines bewilligten Ethikvotums in vivo erprobt. Die Ergebnisse belegen die Machbarkeit der nichtinvasiven Erfassung des Wasserhaushaltes durch mikrowellenbasierte Messungen. Die Technologie birgt das Potential, in ein körpernahes Sensorsystem integriert zu werden, welches als Medizinprodukt zur persönlichen Gesundheitsüberwachung zugelassen werden kann. / The demographic change and the growth of mankind are challenging worldwide, especially for healthcare systems. One possible solution to keep humans healthier at all ages coeval fighting disease-related consequences is given by modern technologies for personalized disease treat-ment and digital health monitoring.
The digitalization of the health care through new technological advance in personalized disease treatment and health monitoring using sensor-based technologies helps people to recover from illness or stay healthy, to monitor the health state of patients in need and to assist caregivers during their daily routine. This thesis aims to analyze microwave measurements as a technology to monitor the hydration status as a particularly important vital parameter, which can be catalyst for diverse secondary disorders.
Wireless body area networks (WBANs) are used for individually tailored therapy of disease and preventive monitoring of health parameters. There are some already existing technologies but there is not yet a way to monitor non-invasively the entire health state and especially hydration as a particularly critical vital parameter. WBANs may help to pave the way for personalized med-icine, improve acute and preventive healthcare and support individual physical fitness.
Tissue dehydration results in impaired biochemical processes, and can finally cause severe mor-bidity. The aim of this study was to demonstrate the feasibility of microwave measurements for the non-invasive analysis of the hydration status in vitro and in vivo and to develop a prototype of a medical device for this measurment. Moreover, accompanying regulatory aspects are con-sidered as a basis for an approval of the sensor technology as medical device. Electromagnetic waves at high frequencies interact with molecules, especially water. Thus, free water molecules can be detected via the reflected microwave signal. To develop the sensor system, human three-dimensional skin equivalents were instituted as a standardized test platform mimicking repro-ducible exsiccosis scenarios. Therefore, skin equivalents with a specific hydration and density of matrix components were generated and microwave measurements were performed. Hydration-specific spectra allowed deriving the hydration state of the skin models. A further advantage of the skin equivalents was the characterization of the impact of distinct skin components on the measured signals to investigate mechanisms of signal generation. Together with these in vitro results, the technology is investigated in vivo within initial testing scenarios on test subjects. The results demonstrate the feasibility of non-invasive microwave-based hydration measurements and thus the technologies potential to be integrated in a wearable medical device for personal digital health monitoring.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:15718 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Brendtke, Rico |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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