Bildquelle: ams OSRAM
Artikel • Vitalparameter-Erfassung
Multi-Chip LEDs lesen Krankheitsrisiko von der Haut ab
Fortschritte in der LED-Technologie eröffnen neue Einblicke in die menschliche Biologie. Durch die Kombination von UV-A-, Grün- und Infrarot-Chips in einem kompakten Modul und der Kopplung mit empfindlichen Fotodetektoren lassen sich nicht-invasiv Gewebeautofluoreszenzsignale messen, um die Ansammlung von fortgeschrittenen Glykationsendprodukten (AGEs) zu untersuchen.
Gastbeitrag von Stephan Haslbeck, Product & Marketing Manager bei ams OSRAM
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Es gibt immer mehr klinische Belege für einen Zusammenhang zwischen erhöhter AGE-Autofluoreszenz der Haut und Diabeteskomplikationen, kardiovaskulären Ereignissen, chronischen Nierenerkrankungen und erhöhter Mortalität. Eine Emitter und Detektorkombination, die UV A sowie Grün und IR Licht zur optischen Messung nutzt, liefert somit einen wichtigen neuen Vitalparameter für die Früherkennung und Überwachung von Risiken.1
Was sind AGEs und wie funktioniert Autofluoreszenz?
Advanced Glycation Endproducts (AGEs) sind heterogene Moleküle, die durch nicht-enzymatische Reaktionen von Zuckern mit Proteinen und Lipiden entstehen. Sie sollen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung chronischer altersbedingter Erkrankungen wie Diabetes, Nierenversagen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen spielen.
Einige AGEs sind fluoreszierend: Bei Anregung durch spezifische Wellenlängen (klassischerweise UV-A im Bereich von ca. 370–385 nm) emittieren sie Licht im blau-grünen Bereich (üblicherweise gemessen im Bereich von 420–600 nm). Diese Gewebeautofluoreszenz (oft an der Haut der Unterarmbeuge oder der Fingerkuppe gemessen) korreliert mit der bioptisch nachgewiesenen AGE-Akkumulation und dem langfristigen Krankheitsrisiko. Da Autofluoreszenz ein optisches Signal ist, kann sie mithilfe von LEDs und Fotodetektoren angeregt und gemessen werden – eine Blutentnahme ist nicht erforderlich.
Durchbruch dank Multi-Chip-LEDs in der Praxis
Es gibt bereits AGE-Auswertungsgeräte mit einer einzigen Wellenlänge – beispielsweise Geräte, die UV-A-Anregung bei 370 nm nutzen. Die Integration von drei Chips mit UV-A-, Grün- und IR-Anregung in ein Modul vervielfacht jedoch die Anwendungsmöglichkeiten durch die Kombination folgender Eigenschaften:
- Der UV-A-Chip (Zentroid‑Wellenlänge typ. ≈ 383 nm, breitbandig 378–387 nm) regt fluoreszierende AGEs im Hautkollagen und andere Chromophore an und erzeugt so das diagnostische Autofluoreszenzsignal. Dies ist das zentrale AGE-Anregungsspektrum, das in validierten Geräten verwendet wird.
- Ein grüner/sichtbarer Chip (≈ 530 nm oder breitbandig 522–542 nm) kann auf verschiedene Weise eingesetzt werden. Er ist bereits für die Herzfrequenzmessung etabliert, aber aktuelle Forschungsergebnisse zeigen auch Möglichkeiten auf, ihn als zweite Anregungswellenlänge zur Untersuchung verschiedener AGE-/Oxidationsspezies zu nutzen und Beleuchtung für die Reflexionskorrektur und spektrale Unterscheidung der Gewebeautofluoreszenz von der Hintergrundreflexion der Haut bereitzustellen.2-4
- Der IR-Chip (typischerweise ≈ 850–940 nm oder für einige Anwendungen ~980 nm) ermöglicht die simultane Photoplethysmographie (PPG) zur Messung von Herzfrequenz, Perfusion und Hydratation (980–1400 nm), potenziell auch die Pulswellenlängenmessung und sogar die Erkennung von Stress durch Variationen im Blutfluss. IR-Licht dringt tiefer ein und ist Standard für PPG/Oximetrie; die Kombination von PPG mit AGE-Autofluoreszenz ermöglicht die Korrelation des biochemischen Risikos (AGE-Belastung) mit hämodynamischen Parametern in einem einzigen Gerät.
Das Ergebnis: ein kleines, multifunktionales optisches Modul, das die nicht-invasive AGE-Messung mittels UV-A-induzierter Autofluoreszenz, die multispektrale Diskriminierung zur Verbesserung der Spezifität und Reduzierung von Störfaktoren sowie die gleichzeitige Erfassung von Vitalparametern für einen umfassenderen klinischen Kontext ermöglicht.
Grafik: ams OSRAM
Technische Aspekte
Ein speziell entwickeltes optisches Modul, das UV-A-Anregung mit grüner Spektralanalyse und physiologischer IR-Sensorik kombiniert, wandelt die etablierte Wissenschaft der AGE-Autofluoreszenz in ein praxisrelevantes, multimodales Vitalzeichen um. Der Ansatz baut auf validierten Hautautofluoreszenz- (SAF) Studien auf und erweitert diese durch verbesserte Spezifität (Mehrbandfluoreszenz), die Einbeziehung physiologischer Informationen (PPG/IR) und die Entwicklung kompakter, kostengünstiger Geräte für Kliniken, die häusliche Pflege und die Forschung.
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Die neueste Multi-Chip-LED SFH 7019 von ams OSRAM wurde beispielsweise speziell für Vitalzeichenanwendungen entwickelt. Sie kombiniert Chips für Grün (530 nm), IR (980 nm) und UV-A (383 nm).
Die neue Wellenlängenkombination unterstützt sowohl die Herzfrequenzmessung als auch die AGE-Messung und ergänzt so etablierte Vitalparameter-Messungen um Informationen über langfristigen metabolischen Stress.
Ein ausgeklügeltes Gehäusedesign verhindert Interferenzen zwischen UV- und Grünchip. Zudem kann jeder Chip separat angesteuert werden. Die extrem kompakten Abmessungen von 1,65 mm × 2,15 mm × 0,6 mm erfüllen die Anforderungen an ein flaches Design kompakter Geräte zur Vitalparameterüberwachung, sogar von Smartwatches, Smartringen usw.
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Eine passende Fotodiode (SFH 2705U) mit ähnlich kompakten Abmessungen wie die Multi-Chip-LED wurde entwickelt, um die Genauigkeit der Haut Autofluoreszenzmessung zu verbessern, indem verhindert wird, dass UV Licht den Detektor erreicht. Gleichzeitig maximiert sie die Empfindlichkeit für Grün- und IR-Licht und ermöglicht so die präzise Messung biochemischer und physiologischer Parameter. Ein Filter umgibt die Fotodiode, um die UV-A-Anregung zu blockieren und öffnet sich ab 445 nm, wodurch die Detektion der Fluoreszenzwellenlängen ohne Übersprechen ermöglicht wird. Zudem bleiben hochpräzise PPG-Messungen, wie zum Beispiel HRM-Funktionen erhalten: Grüne und IR-Signale passieren den Filter, und synchronisierte LED-Impulse ermöglichen es der Fotodiode, Fluoreszenz und PPG in separaten Zeitfenstern zu messen. Dadurch kann ein winziges optisches Modul biochemische Daten sammeln und Vitaldaten kombinieren, ohne Kompromisse bei Genauigkeit oder Sicherheit einzugehen.
„Dank sorgfältiger Entwicklung hinsichtlich spektraler Genauigkeit, Hauttypkompensation und UV-Sicherheit sind Multi-Chip-LEDs wie die SFH 7019 zusammen mit der passenden Fotodiode SFH 2705U optimal geeignet, um die wichtigsten Beleuchtungsbausteine für die AGE-basierte Risikobewertung in der Routineversorgung bereitzustellen“, erklärt Stephan Haslbeck, Produktmanager bei ams OSRAM. „Wir arbeiten eng mit unseren Partnern zusammen, um Produkte für ihre spezifischen Anforderungen zu entwickeln, und es besteht bereits Interesse an weiteren Wellenlängenkombinationen in diesem Multi-Chip-LED-Format. Unsere Lösung ermöglicht es Medizintechnik-OEMs, Multi-Chip-Module in Handlesegeräte, Wearables und Point-of-Care-Instrumente zu integrieren.“
Neue medizinische Anwendungen⁵
Der technische Fortschritt und speziell entwickelte LEDs bilden in Kombination mit passenden Fotodioden eine vollständige optische Sensorlösung und ebnen den Weg für neue und fortschrittliche medizinische Anwendungen im Bereich der Vitalparameterüberwachung und nicht-invasiver Verfahren.
- Risiko-Screening direkt am Behandlungsort – Hausärzte, Apotheken und Diabetesambulanzen können schnelle, nicht-invasive AGE-Scans anbieten, die Patienten mit einem erhöhten Komplikationsrisiko identifizieren und gezielte Folgeuntersuchungen (Labortests, Lebensstilinterventionen) veranlassen. Die Geräte sind robuster, wenn grüne Beleuchtung zur Hautreflexion verwendet wird, und liefern AGE-Signaturen in mehreren Spektralbändern.
- Integrierte metabolische und hämodynamische Profilierung – die Kombination von SAF mit simultaner PPG (aus der Infrarotspektroskopie) liefert gekoppelte biochemische und physiologische Momentaufnahmen: z. B. könnte eine erhöhte AGE-Belastung in Kombination mit einer abnormalen Pulswellenlänge Patienten mit Gefäßversteifung früher identifizieren als jede der beiden Messgrößen allein.
- Fernüberwachung und Optimierung des Behandlungspfads – kompakte Module, die in Heimpflegegeräte, tragbare Pflaster (mit UV-Schutz) oder handgeführte Untersuchungsgeräte integriert sind, ermöglichen die longitudinale Verfolgung von AGE-Trends (Behandlungsreaktion, Auswirkungen auf den Lebensstil) und können so potenziell personalisierte Behandlungspläne verbessern.
- Nephrologie und Dialyse-Triage – SAF ist bei chronischer Nierenerkrankung (CKD) erhöht und sagt negative Behandlungsergebnisse bei Dialysepatienten voraus. Eine schnelle SAF-Messung direkt am Patientenbett könnte die Triage von Hochrisikopatienten erleichtern und die Überwachung von Interventionen unterstützen.
- Klinische Forschung und Arzneimittelstudien – Multispektrale Autofluoreszenz bietet einen sensitiven, nicht-invasiven Biomarker für die Anwendung in Arzneimittelstudien (z. B. Therapien zur Behandlung von Glykation, Oxidation, Nierenschutz oder Gefäßremodellierung).
Eine neue Generation nicht-invasiver medizinischer Instrumente ermöglicht biochemische und physiologische Erkenntnisse direkt am Behandlungsort. Dadurch haben sie das Potenzial, die Krankheitserkennung deutlich zu verbessern, Behandlungspfade zu personalisieren und Innovationen im Management chronischer Erkrankungen zu beschleunigen.
Literatur:
- Fokkens BT, Smit, AJ: Skin fluorescence as a clinical tool for non-invasive assessment of advanced glycation and long-term complications of diabetes. Glycoconj J 33, 527–535 (2016).
- Beisswenger PJ, Howell S, Mackenzie T, Corstjens H, Muizzuddin N, Matsui MS: Two fluorescent wavelengths, 440(ex)/520(em) nm and 370(ex)/440(em) nm, reflect advanced glycation and oxidation end products in human skin without diabetes. Diabetes Technol Ther 2012 Mar;14(3):285-92.
- Zhou J, Li X, Zhang J, Cai F: Developing a Portable Autofluorescence Detection System and Its Application in Biological Samples. Sensors 2024, 24(11), 3351.
- Lee J, Jeong ET, Lim JM, Park SG: Development of the facial glycation imaging system for in situ human face skin glycation index measurement. J Cosmet Dermatol. 2021 Sep;20(9):2963-2968.
- Shardlow A, McIntyre NJ, Kolhe NV, Nellums LB, Fluck RJ, McIntyre CW, Taal MW: The association of skin autofluorescence with cardiovascular events and all-cause mortality in persons with chronic kidney disease stage 3: A prospective cohort study. PLOS Medicine 2020.
12.05.2026
