WO2013023637A2 - Verfahren und vorrichtung zur erzielung von biofeedback-informationen - Google Patents

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    • A61B5/6898—Portable consumer electronic devices, e.g. music players, telephones, tablet computers

Definitions

  • the medicine has measuring methods with which the instantaneous nutrition and fitness condition of humans can be determined.
  • Blood analyzes provide information on whether sufficient nutrients have been supplied to the body.
  • V02max the endurance performance of humans can be objectively determined. This information could be the basis for people to change their behavior in terms of diet and exercise, thereby providing preventative health benefits.
  • pulse measurement and pedometer allow to measure the extent of physical activity and to improve physical fitness through targeted training.
  • both methods assume that a person has already decided to change their behavior, because the biofeedback works only in connection with physical activity. Both methods are therefore not sufficient to initiate behavioral changes. A determination of the nutritional status is thus not possible anyway.
  • the above object is realized by an analysis apparatus according to claim 1 and by a method according to claim 9.
  • Preferred embodiments of the apparatus and method are subject of the dependent claims.
  • the present application proposes a measuring device and a method for determining the nutritional status, the physical endurance performance (V02max) and the lifestyle related stress to solve the said problems.
  • MSS miniaturized spectroscopic system
  • RS reflection spectroscopy
  • RRS resonance Raman spectroscopy
  • Free radicals are permanently produced in human skin as a result of metabolic processes, solar radiation and the influence of environmental pollution and toxins. Normally, these redox processes are well balanced by the antioxidant defense system, but in the case of an obvious increase in free radical concentration, oxidative reactions dominate, leading to oxidative stress conditions.
  • Free radical-induced oxidative stress is the main reason for the development of premature skin aging and other skin diseases including skin cancer.
  • a protective effect of antioxidants has also been found in reducing the risk of cardiovascular disease.
  • the various cutaneous antioxidants include, carotenoids (alpha-carotene, beta-carotene, lycopene, lutein), vitamins (A, C, D, E), enzymes (superoxide dismutase, catalase, glutathione peroxidase) and other substances (flavonoids, lipoic acid , Uric acid, selenium, coenzyme Q10, etc.).
  • RRS resonance Raman spectroscopy
  • Buckley et al. mentions in 1964 the possibility of carotenoids in human skin by reflection spectroscopy at an excitation of about 480 nm to determine [1]. The influence of other cutaneous chromophores did not make the measurement of carotenoids reproducible.
  • a measuring arrangement for the detection of carotenoids is shown in US2009 / 0306521, the aim of which is to reduce the influence of hemoglobin (Hb) on the carotenoid measurement by pressing the Hb out of the tissue by appropriate pressure.
  • the measuring arrangement has a bulge, which is deliberately pressed into the tissue during the measuring process.
  • the system does not have a light barrier, so even light directly reflected from the surface gets into the spectrometer without having taken the path through the tissue.
  • a disadvantage of this arrangement is that the pressure over a certain period of time must be maintained and that when reducing the pressure again hemoglobin can flow back into the tissue. The boundary conditions influencing the measurement result may therefore vary during the measurement.
  • the aim of this application is to provide constructive measures to ensure that the absorption conditions of the skin are not changed by the placement of the measuring system and the influence of Hb by the distance (light barrier) between the location of the radiation and the place the detection of the remission light is reduced. Over the distance, it can be ensured that light from tissue depths without blood vessels (epidermis) is analyzed so that the influence of Hb is minimized.
  • the light barrier ensures that no light reflected only by the surface is analyzed, but only light that has previously passed through the skin. When measuring is about the size
  • the support surface ensures that the absorption conditions of the skin remain unaffected even under increased pressure because the force per unit area falls below a spectroscopically relevant size.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a mobile device for the noninvasive measurement of carotenoids and cytochrome C oxidase by means of reflection spectroscopy
  • FIG. 2 shows the reference (solid line)
  • Figure 3 shows the diffuse reflection spectrum of the human skin when measured in vivo and with an LED excitation of 465 ⁇ 25 nm.
  • Figure 4a shows a carotenoid calibration curve measured in vivo on the
  • Figure 5 shows a reflection spectrum of human skin as measured by
  • palm Figure 6 shows a possible design of a mobile device with optical unit
  • Figure 7 shows an example of the design of contact surface, windows and
  • Figure 8 shows a prediction of VO 2 max values by spectroscopic
  • Figure 9 shows the process of determining nutritional status
  • a schematic representation of the mobile device is shown in Figure 1.
  • a possible optical resolution of the spectrometer is 3 ⁇ 1 nm.
  • the most important component is the light barrier (6) between the windows (coupling (4) and coupling (5)), which forces the light Penetrate into the skin and prevent measurements where the light is only reflected from the surface of the skin.
  • the light barrier is opaque and represents the distance between the coupling-out window and the coupling window.
  • the mobile device uses the tissue underneath its contact surface as a diffusely reflecting substrate.
  • the area of the mobile device in contact with the skin surface should therefore be of sufficient diameter to ensure a homogeneous distribution of contact pressure on the skin surface.
  • the LED illuminated skin surface corresponds to the dimensions of the decoupling window.
  • the MSS is designed so that the light is used from a depth of up to 200 ⁇ for the detection of carotenoids.
  • Figure 2 shows a reference spectrum and a typical reflection spectrum of the human skin measured on the palm of the hand.
  • an opal acrylic glass sample was used.
  • FIG 3 shows the negative Iog10 of the diffuse reflection of human skin in vivo.
  • the spectrum is normalized with the reference spectrum.
  • the small dent in the diffusely reflected spectrum in the range between 458 nm and 472 nm (see Figure 3) results from the absorption of carotenoids in the skin.
  • the cross validation is done with the random segment method. Four major components were used to predict with the regression vector the RRS values that correlate with the concentration of carotenoids in human or animal skin.
  • the RRS measurements were validated with HPLC reference data from biopsies of human and animal skin.
  • Figures 4 show calibration curves in vivo from the palm of human skin (4a) and in vitro from uterine skin (4b) based on RRS.
  • a correlation coefficient of R 0.85 was achieved.
  • the results for RS are displayed on an arbitrary scale.
  • human skin as a single numerical value in the range of 1 to 12 and for the uterine skin in the range of 1 to 20. The values can be converted into nmol / g of skin.
  • the RRS and RS measurements were made on the same skin area and the RRS measurement was then used as reference values.
  • Calibration measurements for human skin were made in vivo on both palms of healthy subjects and for bovine skin in vitro on excised healthy uterine skin. The stability of the measurements was determined by the standard deviation of the measured values not more than 10%. Typically, different series of consecutive measurements on the skin of a subject will yield a standard deviation of less than 5%.
  • Figure 5 shows the optical density of a subject's palm over a wider range of wavelengths when illuminated with a white light source (SL1, Stellar.net) and using the Hamamatsu C10988MA spectrometer.
  • the light was irradiated onto the skin via a 300 ⁇ m fiber with a stainless steel sleeve and the diffuse reflected light was imaged with a lens onto the slot of the spectrometer.
  • the emitted light was collected over a distance of 1 mm.
  • the spectra show the absorption bands of oxygenated and deoxygenated hemoglobin at around 415/420 nm, 542 and 577nm / 555nm.
  • the measurement range is located between the Soret band and the two absorption bands above 500 nm.
  • the two spectra which come from closely spaced positions, show the influence of the scattering properties of the skin.
  • human skin is a complex, inhomogeneous, multi-layered, strongly scattering and absorbing medium with a high anisotropy factor.
  • the reduced scattering coefficient p s is higher than the absorption coefficient ⁇ 3 obtained by in vitro and in vivo measurements by various methods.
  • the randomly inhomogeneously distributed chromophores influence the optical properties ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ of the skin layers. Therefore, the reflection spectra are determined by the scattering properties of the skin and also by the chromophores in the skin. Strong absorbers reduce the backscattered light by absorption into the respective wavelength range where the bands lie. For example, blue light at 465 ⁇ 25 nm penetrates only about 150-200 pm deep the skin (mean path length associated with the high absorption coefficient of the present wavelengths).
  • the human skin contains various chromophores that are able to absorb light in the blue region of the optical spectrum and that could potentially affect the reflectance measurements.
  • the most common are the carotenoids, melanin, flavin adenine dinucleotide (FAD), reduced FAD (FADH 2 ), deoxygenated hemoglobin or oxygenated hemoglobin, bilirubin, and water.
  • the epidermis contains no blood vessels, so hemoglobin and bilirubin can be found for the first time in the basal membrane, which is a border between the epidermis and the dermis. Their concentration increases deep in the dermis with increasing blood content.
  • the thickness of the epidermis varies depending on the skin area between 50 ⁇ and 600 ⁇ .
  • blood chromophores such as hemoglobin and bilirubin
  • the reflectance measurements were therefore performed on the palm of the hand where the epidermis has the greatest thickness (up to 600 ⁇ ).
  • the high ⁇ 3 of hemoglobin as well as the scattering properties influence the diffuse reflection, as shown in Figure 5.
  • the distance between the coupling window and the coupling window was chosen so that on average only backscattered light from up to 200 ⁇ is obtained.
  • the depth distribution of carotenoids in the human epidermis is inhomogeneous with a strong concentration gradient from the skin surface to the deeper layers of the epidermis.
  • the highest concentration was found on the skin surface and in the upper layers of the stratum corneum. This can be explained by the continuous secretion of carotenoids via sweat glands and / or sebaceous glands to the skin surface.
  • the ratio between the highest carotenoid concentration, measured at a depth of 6 ⁇ 2 ⁇ and the concentration at a depth of 24 ⁇ was found to be about 7 ⁇ 2.
  • the carotenoid concentration in the deepest epidermis, the stratum basale is high, which may be related to the diffusion processes of Carotenoids from blood, lymph and adipose tissue. Consequently, the epidermal carotenoids are ideal components for detection with the mobile device.
  • the redox cofactors, FAD and FADH2 which play an important role in cellular metabolism, can be found in the highest concentrations in living cells, i. in the deep layers of the epidermis (stratum spinosum and stratum basale). However, these cell layers are not significantly affected by the measurement with the mobile device.
  • epidermal chromophores such as the protein-bound amino acids tryptophan and tyrosine as well as nicotinamide adenine dinucleotide (NAD +) reduced NAD + (NADH), urocaninic acid, fatty acids, DNA, vitamin E and proteins, absorb predominantly in the UVB portion of the optical spectrum and therefore have no effect on the performed measurements.
  • NAD + nicotinamide adenine dinucleotide
  • NADH nicotinamide adenine dinucleotide
  • urocaninic acid urocaninic acid
  • fatty acids DNA, vitamin E and proteins
  • Water has a minimum absorption coefficient in the blue region of the spectrum and thus has no influence on the measurements carried out.
  • the mobile device is therefore ideal to measure fast, safe and reliable carotenoids on the palm of the human or the uterine skin and thus to make statements about the antioxidant potential. It can thus be used as a biofeedback system for in vivo monitoring, helping the user to improve their health behavior. Measuring stress
  • the stress resulting from the individual lifestyle can be determined. Since the concentration of antioxidants in the skin change rapidly under particular conditions, e.g. By drinking alcohol, little sleep, etc., the resulting stress can be individually calculated for good health. By daily measurements over a longer period, e.g. 14 days, the data represent a more or less typical behavior of the person, which leads to the respective carotenoid concentrations. This means that the mean value of the measured concentration reflects the individual behavior in relation to health care. By comparing the mean with a current carotenoid reading, expressed as a percentage of change, the current behavior can be assessed, with the mean and current reading being able to be enhanced by additional values, particularly measurements from the detection of other vital parameters (e.g., weight).
  • other vital parameters e.g., weight
  • a positive number means that a person at an individual level advances their health care, while a negative number demonstrates the opposite.
  • the number promotes the attitude of the individual with regard to the behavioral changes in the lifestyle necessary for health care. It also allows people to compare their behavior, even if they have different levels of antioxidants.
  • carotenoid measurements on the cow udder a screening for the separation of milk from diseased animals can be performed. Due to the fact that the carotenoid concentration in the skin falls in the case of a disease, the relevant milk can be automatically collected via a bypass in a separate vessel if the result is appropriate. Contamination of milk from healthy cows is avoided. A subsequent medical examination decides whether a disease is present or not and whether the quality of the milk still complies with the legal provisions. The advantage of this application is above all economical with regard to the health of the animal and avoidance a contamination of healthy milk. When integrating the MSS into the milking system, the carotenoid measurement can be carried out automatically. When implemented as a mobile handheld system, several animals can be measured with the same device.
  • the physical endurance capacity of the human can be determined spectroscopically. In WO 2007/085435 this is done via the measurement of cytochrome C oxidase.
  • the enzyme cytochrome c oxidase is located at the end of the respiratory chain (mitochondria) and is responsible for the reduction of oxygen to water. The released energy is used by the muscles. Similar to the detection of antioxidants, the measurement can be carried out by reflection spectroscopy with excitation in the wavelength range of 500nm to 900nm. Since diet and physical fitness have a lasting effect on human health, it is of great benefit if biofeedback data can be made available to the individual using the same spectroscopic system.
  • a mobile device with which the concentration of carotenoids and cytochrome C oxidase can be determined must be specially designed, since the spectroscopic measurement takes place in different wavelength ranges. Because short-wave and long-wave and light penetrate different depths into the skin, the width of the light barrier (6) and the window size for irradiation (4) and for detecting the remitted light (5) must take this difference into account.
  • Fig. 6 shows a corresponding arrangement in which, for example, the width of the light barrier about 0.5 mm and the size of window (4) about 3x3 mm and of window (5) 3x2 mm.
  • the necessary LEDs can be arranged in one or more rows on the illumination unit (8).
  • the LEDs required to detect the carotenoids should be closest to the light block (6). Their spacing can be e.g. about 1 mm.
  • the reference values for the calibration were determined by spiroergometric tests.
  • the correlation coefficient for the detection of carotenoids ( Figures 4a and 4b) was based on the same design of windows and light barrier.
  • Figure 6 shows the possible structure of the mobile device consisting of a spectrometer (1), an optical unit (2) and an electronic unit (11) for the control and processing as well as for the transmission of data to a central server on which e.g. the calculation of the substance concentrations takes place.
  • the miniaturized spectrometer has e.g. a replicated holographic grating covering a large wavelength range e.g. 390nm - 970nm is designed.
  • the optical unit (2) is a monolithic device containing an imaging optical element (7) (eg mirror or lens) for directing the light from the sample to the entrance slit of the connected spectrometer unit (1)
  • Recording for a lighting unit (8) is used, which consists of one or more light sources (eg LED) for illuminating a sample (10), such as human skin.
  • a light source eg LED
  • the use of only one LED with an emission spectrum of 440 nm to 490 nm as a light source is useful for measuring the carotenoids.
  • the optical unit (2) has two windows (4,5) of translucent material and a contact surface (9) for placing the mobile device on the sample for measurement (eg, skin).
  • Windows (4) allows the illumination of the sample (eg tissue);
  • Window (5) allows light to pass from the sample to the imaging optical element.
  • a clamping device which compensates for thermal influences.
  • the housing of the mobile device (3) protects the optical unit (2) in such a way that by placing the device on the sample no impermissible external forces on the monolithic device and the connected spectrometer (1) act.
  • the construction also prevents the influence of other external sources (e.g., light, dust, moisture)
  • the illumination unit may preferably consist of a carrier with high heat capacity or e.g. be implemented as a copper plate or as a copper-containing carrier for bonding Nacktchip LED.
  • the lighting unit is connected to the electronic unit (11) for controlling and regulating the light source. It is placed in the optical unit and fixed. If several LEDs with the same emission spectrum are used as the light source, which are located at different distances from the light barrier and are switched on one after the other, the light scattered back out of the skin contains location information which enables a more precise concentration determination.
  • the optical unit can preferably be produced by injection molding.
  • the window (4, 5) the insertion of a separate glass or plastic plate or a two-component injection molding is possible.
  • the optical quality of the windows is adapted accordingly.
  • the contact surface (9) and windows (4, 5) are at the same level.
  • the contact surface (9) Similar as shown in Fig.7, on the contact surface (9) different levels can be realized, for. B. to reduce the sweating of the skin during a measurement or to achieve certain design effects.
  • the size of the contact surface is selected accordingly. A size of 16cm 2 and a diameter of about 45mm with a round geometry is a possible reasonable size.
  • a spectroscopic reference for calibration may be housed in a removable cap enclosing contact area (9) and windows (4, 5).
  • a measurement with cap is made at a selected time and the result is integrated into the calibration algorithm of the mobile device.
  • the cap simultaneously protects the windows (e.g., against scratches) when the user places the mobile device e.g. transported in a handbag or backpack.
  • the spectroscopic system of the mobile device can also be realized by using a diode array which replaces the spectrometer unit (1). If multiple LEDs are used, each emitting a small and spectrally different wavelength range, the lighting is controlled by the electronic unit (11) so that the LEDs are turned on in succession, so that only light with a small spectral range on the imaging optical element (3) reaches the diode array. Alternatively, it is also possible to dispense with the imaging optics. In this case, LEDs and diodes can be bonded together on the illumination unit, which is then designed so that the light barrier of the optical unit is located after placement of the illumination unit between LED and diodes.
  • the advantage of using the diode array is smaller size and lower total cost of the mobile device.
  • a Farby-Perot filter array with a plurality of different central wavelengths can be used, which is placed on a substrate or directly on the pixels of a CMOS / CCD array. Since the individual pixels only reach specific wavelengths of light, location information can be extracted from the light scattered back from the skin. In addition to determining the depth of the measured concentrations, these also enable a separation of signal and scatter, which increases the accuracy of the measurement.
  • a manufactured according to application EP 2057446 Fabry-Perot Filter array also has the advantage that it can be produced inexpensively despite high spectral resolution.
  • Figure 9 shows the process of determining nutritional status, physical endurance capacity (V0 2 max) and life style adoptedem stress
  • the spectral information can be transmitted via Bluetooth, WLAN or USB to a mobile phone or a computer and transmitted from there to a central server, which evaluates the data and displays the result on the user interface. Transmission and processing of data can be carried out as described in DE 10 2006012 681.
  • the user receives an application software. After installation, he can automatically connect to the portal and the central server by activating an app on his computer or mobile phone. After registering with the server in a first step, all results are then displayed in a secure and only accessible area.
  • the user When the user is connected to the portal / server for the first time, or before the start of a measurement, he or she can fill out a kind of history questionnaire, which automatically assigns the measured result and the answers given. In this way, the causes of measurement results can be identified.
  • additional correction algorithms can also be located on the server which compensate for assembly or production tolerances, so preferably for all devices uniform algorithm can be used.
  • the correction algorithms can be determined during the assembly of the devices and stored either in the mobile measuring device and in the data transmission to the central server or they are transmitted after the assembly process with a device identifier directly to the server.
  • the user When registering the user, in addition to certain personal identification data (including billing requirements), the user must also transmit a measurement spectrum of their mobile measuring device. In addition to the spectral information, this measuring spectrum also contains the device identifier, so that it is then possible to associate the measuring person and the measuring device.
  • To analyze the measurement data can then be the correction algorithm that was determined during the assembly for the respective meter. This procedure has the advantage that no device number has to be transmitted by the customer manually or by scanning a barcode.
  • a preferred solution on the server may have an additional database containing detailed information about the ingredients of food, e.g. For example, the amount of antioxidants (vitamins), protein, fat or carbohydrates, calories, etc. content.
  • the user can automatically calculate the amount of ingredients added to the body by selecting foods. For example, for foods that he has consumed on that day or that he wants to consume in the coming days or the entire week. Comparing the calculated amount of antioxidants with the carotenoid level measured with the mobile device in the skin optimizes dietary habits, e.g. by choosing better suitable foods with higher antioxidant content. At the same time, this comparison also allows an assessment of stressful lifestyle factors (see anamnesis questionnaire) and thus also supports a targeted change in behavior. In this way it is possible to improve preventive health behavior overall.
  • the customer can choose from a database another trader or manufacturer for his fruit or vegetables, if the comparison between measurement and calculated antioxidants low the effectiveness of the food shows.
  • Coaching information about manufacturers and suppliers in close proximity the user receives from the database hosted on the server.
  • the client may also receive individual coaching through an expert database, which informs him of his measurement results and using the goals, preferences (preferred foods, sports activities, lifestyle, etc.) entered by the customer in the database, but also handicaps (eg allergies, musculoskeletal system, physical handicaps) makes individually tailored suggestions (eg special cooking recipes, training plans), to improve the antioxidant level and / or the physical endurance capacity. If the customer agrees to receive all available information on the basis of the measured result, a very individual coaching is possible, which helps him to significantly improve his health status with the help of biofeedback.
  • an empirical prevention value is determined which reflects the current status of the user in his efforts to improve his or her health Preserving his health reflects.
  • the relationship between the two measured values may be e.g. in a normalized scale, with the help of a special function, within certain limits, be multiplicative, so that a high value on the one hand offsets a low value on the other hand.
  • Both measured values can also be located in a two-dimensional coordinate system, thus enabling the identification of health and risk areas in which the user is currently located. Since all measurement data is stored on the server, a preferred solution based on the past can also calculate the future course of the prevention value, showing the user where he will be in the future and what impact his present behavior will have in the long run.
  • the meaningfulness of the prevention value can be further increased if the calculation takes into account the distance covered by walking / running during the day (eg by using an electronic pedometer).
  • the user must store the data in the database (eg in the medical questionnaire).
  • An interesting and user-friendly application in this sense is when the spectroscopic integrated into a body scale. Every morning, when the user measures his body weight barefoot on the scales, the carotenoids can be measured automatically, because the sole of the foot, like the palm, is an ideal place to measure the antioxidants. Physical endurance performance can also be determined at this location.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren, um dem Anwender Biofeedback Informationen zu seinem Ernährungszustand und seiner körperlichen Ausdauerleistungsfähigkeit schnell und angemessen mit Hilfe eines mobilen Messgeräts zur Verfügung zu stellen, so dass das für die gesundheitliche Prävention notwendige Verhalten angestoßen und vom Anwender dauerhaft umgesetzt wird. Die Messdaten können auf einem zentralen Server ausgewertet und dem Anwender auf einem Display angezeigt werden. Zusätzlich erhält er Vorschläge, wie er seine Messwerte in Bezug auf Ernährungszustand und körperliche Ausdauerleistungsfähigkeit verbessern kann.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzielung von Biofeedback-Informationen
Hintergrund der Erfindung
Die typischen Zivilisationserkrankungen wie Herz-Kreislauf Erkrankung, Diabetes, Krebs haben eine steigende Tendenz. Bekannt ist, dass durch präventive Maßnahmen im Sinne der Ernährung und körperlicher Betätigung die Wahrscheinlichkeit für Erkrankungen deutlich vermindert wird.„Approximately 80% of coronary heart disease, up to 90% of type 2 diabetes, and more than half of Cancers could be prevented through lifestyle changes, such as proper diet and exercise." (Healthcare 2015: Win-win or lose-lose? IMB Institute for Business Value, 2006)
Die Medizin verfügt über Messverfahren mit denen der augenblickliche Ernährungsund Fitnesszustand des Menschen bestimmt werden kann. Blutanalysen geben Auskunft, ob dem Körper ausreichend Vitalstoffe zugeführt wurden. Durch spiroergometrische Untersuchung kann die Ausdauerleistungsfähigkeit (V02max) des Menschen objektiv bestimmt werden. Diese Informationen könnten die Basis sein, damit Menschen ihr Verhalten hinsichtlich Ernährung und sportlicher Aktivitäten ändern und so präventiv ihre Gesundheit erhalten.
Durch Aufklärungskampagnen in den Medien, lokalen Informationsveranstaltungen (z.B. Krankenkassen, Gesundheitsämter etc.) oder durch die Aufnahme der Ernährungsbildung (food literacy) in den schulischen Unterricht, wird versucht den Einzelnen von der Notwendigkeit einer gesünderen Ernährung, eines angemessen Lebensstils und sportlicher Betätigung zu überzeugen. Der Erfolg all dieser präventiven Maßnahmen ist gering.
Wie an der steigenden Zahl der Erkrankungen erkennbar ist, führen weder die in Arztpraxen oder Kliniken vorhanden medizinischen Messverfahren noch die Aufklärungskampagnen zu ausreichenden Verhaltenänderungen bei den Betroffenen. Bekannt ist, dass durch Selbstmonitoring Verhaltensänderungen am stärksten hervorgerufen werden, so dass Biofeedback einen erheblichen Beitrag zur Minderung der genannten Zivilisationskrankheiten leisten kann. Die Akzeptanz für ein solches Monitoring ist bei nicht invasiver Messdatenerfassung, einfachen Handling, geringer Größe des Systems und bei geringen Kosten am größten.
Im Bereich der körperlichen Fitness ermöglichen Pulsmessung und Schrittzähler das Ausmaß der körperlichen Bewegung zu messen und durch gezieltes Training die körperliche Fitness zu verbessern. Beide Verfahren setzen allerdings voraus, dass sich eine Person bereits entschlossen hat ihr Verhalten zu ändern, denn das Biofeedback funktioniert nur im Zusammenhang mit körperlicher Betätigung. Beide Verfahren sind also nicht hinreichend, um Verhaltensänderungen anzustoßen. Eine Bestimmung des Ernährungszustands ist damit ohnehin nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Basierend auf den genannten Problemen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit Hilfe eines kleinen und mobilen Messgeräts ein schnelles und angemessenes Biofeedback zum Ernährungszustand und körperlicher Ausdauerleistungsfähigkeit zu ermöglichen, um die aus gesundheitlicher Sicht notwendigen Verhaltensänderungen des Menschen auf diesem Wege anzustoßen und dauerhaft zu unterstützen.
Erfindungsgemäße Lösung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die oben genannte Aufgabe durch eine Analyse-Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 9 realisiert. Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung und dieses Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die vorliegende Anmeldung schlägt zur Lösung der genannten Probleme eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Ernährungszustands, der körperlichen Ausdauerleistungsfähigkeit (V02max) und des Lebensstil bezogenen Stress vor.
Die Beschreibung enthält folgende Abkürzungen: MSS = miniaturisiertes spektroskopisches System RS = Reflexionsspektroskopie
RRS = Resonanz-Raman-Spektroskopie
Stand der Technik
Freie Radikale werden in der menschlichen Haut permanent als Folge von Stoffwechselvorgängen, Sonneneinstrahlung und dem Einfluss von Umweltbelastungen und Toxinen produziert. Normalerweise werden diese Redox- Prozesse gut durch das antioxidative Abwehrsystem ausgeglichen, aber im Falle einer offensichtlichen Erhöhung der Konzentration freier Radikale dominiert die oxidative Reaktionen, die zu oxidativen Stress-Bedingungen führt.
Durch freie Radikale induzierter oxidativer Stress ist der Hauptgrund für die Entwicklung vorzeitiger Hautalterung und anderer Hauterkrankungen einschließlich Hautkrebs. Zusätzlich wurde eine schützende Wirkung von Antioxidantien auch hinsichtlich der Verringerung des Risikos von Herz-Kreislauf-Erkrankungen gefunden. Untersuchungen zeigen, das das allgemeine Sterblichkeitsrisiko und das durch Krebserkrankung verursachte Mortalitätsrisiko, sich beim Vorhandensein nur geringer Mengen an Antioxidantien erhöht. Zu den verschiedenen kutanen Antioxidantien zählen, Karotinoide (Alpha-Karotin, Beta-Carotin, Lycopin, Lutein), Vitamine (A, C, D, E), Enzyme (Superoxid Dismutase, Katalase, Glutathion Peroxidase) und anderen Substanzen (Flavonoide, Liponsäure, Harnsäure, Selen, Coenzym Q10, etc.). Alle Antioxidantien fungieren zusammen als "Schutzkette", was bedeutet, dass verschiedene Antioxidantien über eine synergetische Wirkung verfügen und sich so gegenseitig vor direkter Zerstörung bei der Neutralisierung freier Radikale schützen. Vor kurzem konnte gezeigt werden, dass Karotinoide als starke Antioxidantien wirken und dass sie Marker-Substanzen für das gesamte antioxidative Netzwerk der menschlichen Haut sind. Karotinoide sind durch Nahrung zugeführte Antioxidantien und dieser Umstand bestimmt die Kinetik des Abbaus und der Erhöhung ihrer Konzentrationen in der menschlichen Haut. Lebensstilfaktoren wie Rauchen, psychischer Stress, übermäßiger Alkoholkonsum reduzieren das Niveau der Antioxidantien, wobei die Karotinoid-Konzentration im Plasma und in der Haut zwar sehr unterschiedlich sein kann, aber eine Korrelation zwischen beiden gezeigt werden konnte. Darüber hinaus wurde eine starke Korrelation zwischen der Lycopin Konzentration und der Rauheit der Haut (Tiefe und Dichte der Falten und Furchen) nachgewiesen. Vor diesem Hintergrund ist die nicht-invasive Messung der Karotinoiden in der menschlichen Haut absolut wichtig und stellt eine Kontrolle nach dem neuesten Stand dar.
Als gut etablierte Methode zur nicht-invasiven, selektiven Messungen der kutanen Karotinoide, wird die Resonanz-Raman-Spektroskopie (RRS) verwendet. Der unbestreitbare Vorteil der RRS ist die selektive Messung der Karotinoide. Der größte Nachteil liegt in der enormen Größe der Messeinrichtung, die vor allem aus der Größe der verwendeten Laser und Spektrometer resultiert. Darüber hinaus ist das Spektrometer, das in einem RRS-Setup verwendet wird, empfindlich gegen Schwingungen, die den Transport von RRS-Geräte unerwünscht machen. Darüber hinaus sind RRS Gerät teuer und daher begrenzt auf die Anwendung in Kliniken und Arztpraxen.
Obwohl die ersten Versuche zum Einsatz spektroskopische Messung in der Medizin bereits Mitte des 19-Jahrhunderts starteten, begann die erfolgreiche Umsetzung erst im Jahr 1954. In Bezug auf die Reflexions-Spektroskopie werden seit mehr als 50 Jahre Untersuchungen an der menschlichen Haut durchgeführt. Die meisten von ihnen wurden in verschiedenen Spektralbereichen zur Messung der Blutbestandteile Hämoglobin, Bilirubin und Melanin durchgeführt und zur Beurteilung der Hautfarbe verwendet. Viele Studien berücksichtigten nicht das Vorhandensein von Karotinoiden in der menschlichen Epidermis.
Buckley et al. erwähnt im Jahr 1964 die Möglichkeit, die Karotinoide in der menschlichen Haut durch Reflexions-Spektroskopie bei einer Anregung von etwa 480 nm zu bestimmen [1]. Der Einfluss anderer kutaner Chromophoren machte die Messung von Karotinoiden nicht reproduzierbar.
Die Reflexionsspektroskopische Methode zur Messung von Karotinoiden in der Haut wurde zuvor von Niedorf vorgestellt [2]. Der Schwerpunkt lag auf der Untersuchung von Rinderhaut. Durch die Verwendung eines Gitterspektrometer (170 bis 880 nm) und einer Halogen-Lichtquelle (350 - 2000nm) mit sieben Lichtleitern verglich er die spektroskopische Messung mit HPLC-Analysen von 15 Biopsien aus der Haut von Rindereutern. Bei der Vorhersage der Karotinoid-Konzentration erhielt er eine signifikante Korrelation von R = 0,711. Da die Haut des Rindereuters spektroskopisch der menschlichen Haut sehr ähnlich ist, wurden die Ergebnisse zu einem späteren Zeitpunkt durch Stahl auch für die menschliche Haut verwendet [3].
Auf Basis der Reflexionsspektroskopie wird in US2009/0306521 eine Messanordnung zur Detektion von Karotinoiden dargestellt, deren Ziel es ist den Einfluss des Hämoglobins (Hb) auf die Karotinoidmessung dadurch zu reduzieren, dass durch entsprechenden Druck das Hb aus dem Gewebe gepresst wird. Zu diesem Zweck verfügt die Messanordnung über eine Auswölbung, die beim Messvorgang gezielt in das Gewebe gedrückt wird. Das System besitzt keine Lichtsperre, so dass auch von der Oberfläche direkt reflektiertes Licht in das Spektrometer gelangt, ohne das es den Weg durch das Gewebe genommen hat. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass der Druck über einen gewissen Zeitraum aufrecht erhalten werden muss und dass bei Verminderung des Drucks wieder Hämoglobin in das Gewebe zurückfließen kann. Die auf das Messergebnis Einfluss nehmenden Randbedingungen können während der Messung deshalb variieren.
Entgegen der Anordnung US2009/0306521 ist es das Ziel dieser Anmeldung durch konstruktive Maßnahmen dafür zu sorgen, das die Absorptionsbedingungen der Haut nicht vom Auflegen des Messsystems verändert werden und der Einfluss des Hb durch die Distanz (Lichtsperre) zwischen dem Ort der Einstrahlung und dem Ort der Detektion des Remissionslichts reduziert wird. Über die Distanz kann sichergestellt werden, dass Licht aus Gewebetiefen ohne Blutgefäße (Epidermis) analysiert wird, so dass der Einfluss des Hb minimiert ist. Die Lichtsperre garantiert, dass kein von der Oberfläche lediglich reflektiertes Licht analysiert wird, sondern nur Licht, das zuvor den Weg durch die Haut genommen hat. Bei der Messung wird über die Größe der Auflagefläche sichergestellt, dass selbst bei stärkerem Druck die Absorptionsbedingungen der Haut unbeeinflusst bleiben, weil die Kraft pro Flächeneinheit unter eine spektroskopisch relevante Größe sinkt. Ein während der Messung variierender Druck hat auf das Messergebnis deshalb keinen Einfluss. Zusätzlich bewirkt eine große Auflagefläche, dass auf die Haut fallendes Fremdlicht (Sonne, künstliche Raumbeleuchtung), das in der Haut wandern kann, die Messung ebenfalls nicht beeinflusst, da der eigentliche Ort zur Detektion der Remission großflächig abgedeckt ist. All dies ist bei der Anordnung aus US2009/0306521 nicht berücksichtigt. Somit unterscheidet sich die vorliegende Anmeldung grundsätzlich von dem Stand nach US2009/0306521.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Details der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen:
Abbildung 1 zeigt die schematische Darstellung eines mobilen Geräts zur nichtinvasiven Messung von Karotinoiden und Cytochrom-C-Oxidase mit Hilfe der Reflexions-Spektroskopie
Abbildung 2 zeigt die Referenz (durchgehende Linie) und das
Reflexionsspektrum der menschlichen Haut (gestrichelte Linie) gemessen auf der Handfläche bei einer LED Anregung von 465 ± 25 nm
Abbildung 3 zeigt das diffuse Reflexionsspektrum der menschlichen Haut bei in vivo Messung und einer LED Anregung von 465 ± 25 nm.
Abbildung 4a zeigt eine Karotinoid-Kalibrierkurve gemessen in vivo auf der
Handfläche menschlicher Haut mit Raman- Messwerten als
Referenz, R = 0,89 N = 30
Abbildung 4b zeigt eine Karotinoid-Kalibrierkurve in vitro gemessen am Kuheuter erzeugt mit Raman- Messwerten als Referenz, R = 0,85
Abbildung 5 zeigt ein Reflexionsspektrum der menschlichen Haut gemessen am
Handballen Abbildung 6 zeigt ein mögliches Design eines mobilen Gerätes mit optischer Einheit
Abbildung 7 zeigt ein Beispiel für das Design von Kontaktfläche, Fenster und
Lichtsperre
Abbildung 8 zeigt eine Vorhersage von VO2max Werten durch spektroskopische
Messung der Cytochrom-C-Oxidase und spiroergometrischen Messdaten als Referenz
Abbildung 9 zeigt den Prozess zur Bestimmung von Ernährungszustand,
körperlicher Ausdauerleistungsfähigkeit (VO2max), Lebensstil verursachtem Stress und die Generierung spezifischer Coaching- Informationen zur Unterstützung des Biofeedbacks
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Eine schematische Darstellung des mobilen Geräts zeigt Abbildung 1. Eine mögliche optische Auflösung des Spektrometers beträt 3 ± 1 nm. Das wichtigste Bestandteil ist die Lichtsperre (6) zwischen den Fenstern (Auskopplung (4) und Einkopplung (5)), die das Licht zwingt in die Haut einzudringen und Messungen verhindert, bei denen das Lichts lediglich von der Oberfläche der Haut reflektiert wird. Die Lichtsperre ist lichtundurchlässig und stellt den Abstand zwischen dem Auskopplungsfenster und dem Einkopplungsfenster dar. Das mobile Gerät nutzt das Gewebe unterhalb seiner Auflagefläche als diffus reflektierendes Substrat.
Druck, der über das Auflegen des mobilen Geräts auf die Haut ausgeübt wird erhöht die Rückstreuung, da die Durchblutung des Hautgewebes unterbrochen wird und die Absorption sich verringert, was die Reflexionsmessung beeinflussen kann. Zur Reduzierung dieses Fehlers wurde eine standardisierte Messbedingung realisiert. Der Bereich des mobilen Geräts, der Kontakt mit der Hautoberfläche hat, sollte deshalb einen ausreichenden Durchmesser haben, um eine homogene Verteilung des Anpressdrucks auf der Hautoberfläche zu gewährleisten. Die LED beleuchtete Hautoberfläche entspricht den Abmessungen des Auskopplungsfensters. Das MSS ist so gestaltet, das Licht aus einer Tiefe von bis zu 200 μητι für die Detektion von Karotinoiden genutzt wird.
Abbildung 2 zeigt ein Referenzspektrum und ein typisches Reflexionsspektrum der menschlichen Haut gemessen an der Handfläche. Als Referenz wurde eine Opal Acrylglas Probe verwendet. Wie zu sehen ist, ist eine ausreichende Intensität im Bereich von 450 nm bis 490nm vorhanden, um das diffuse Reflexionsspektrum zu berechnen.
Das diffus reflektierte Licht wurde analysiert. Abbildung 3 zeigt den negativen Iog10 der diffusen Reflexion menschlicher Haut in vivo. Das Spektrum ist mit dem Referenzspektrum normalisiert. Die kleine Delle im diffus reflektierten Spektrum im Bereich zwischen 458 nm und 472 nm (siehe Abbildung 3) resultiert aus der Absorption der Karotinoide in der Haut. Nach der PLS Kalibration wird sie zur Vorhersage der Karotinoid Werte verwendet, die mit der RRS gemessen wurden. Die Kreuz-Validierung erfolgt mit der random-Segment-Methode. 4 Hauptkomponenten wurden verwendet, um mit dem Regression Vektor die RRS-Werte vorherzusagen, die mit der Konzentration an Karotinoiden in menschlicher oder tierischer Haut korrelieren. Die RRS Messungen wurden mit HPLC Referenzdaten von Biopsien menschlicher und tierischer Haut validiert.
Die Abbildungen 4 zeigen Eichkurven in vivo von der Handfläche menschlicher Haut (4a) und in vitro von Kuheuterhaut (4b) auf Basis von RRS. Ein Vergleich der Messergebnisse von RS und RRS bei in vivo Messungen an menschlicher Haut zeigt eine sehr gute Korrelation von R = 0,89. Im Fall der ln-vitro Messungen an Kuheuterhaut wurde ein Korrelationskoeffizient von R = 0,85 erreicht.
Ähnlich RRS werden die Ergebnisse für RS auf einer willkürlichen Skale angezeigt. Für menschliche Haut als einzelne Zahlenwerte im Bereich von 1 bis 12 und für die Kuheuterhaut im Bereich von 1 bis 20. Die Werte können in nmol/g Haut umgerechnet werden. Für die Kalibrierung wurden die RRS und RS Messungen am gleichen Hautbereich durchgeführt und die RRS Messung anschließend als Referenzwerte verwendet. Die Kalibriermessungen für die menschliche Haut wurden in vivo auf beiden Handflächen von gesunden Probanden und für Rinderhaut in vitro auf herausgeschnittener gesunder Kuheuterhaut durchgeführt. Die Stabilität der Messungen wurde bestimmt durch die Standardabweichung der Messwerte, die maximal nicht mehr als 10% beträgt. In der Regel ergibt sich bei verschiedenen Serien von aufeinanderfolgenden Messungen an der Haut eines Probanden eine Standardabweichung weniger als 5%.
Abbildung 5 zeigt in einem breiteren Wellenlängenbereich die optische Dichte der Handfläche eines Probanden, die sich bei Beleuchtung mit einer weißen Lichtquelle (SL1 , Stellar.net) und der Anwendung des Hamamatsu C10988MA-Spektrometer ergibt. Das Licht wurde über eine 300μητι Faser mit Edelstahlhülse auf die Haut eingestrahlt und das diffuse reflektierte Licht mit einer Linse auf den Schlitz des Spektrometers abgebildet. Das emittierte Licht wurde über eine Distanz von 1 mm gesammelt. Die Spektren zeigen die Absorptionsbanden von oxygenierten und desoxygenierten Hämoglobin bei rund 415/420 nm, 542 und 577nm/555nm. Der Messbereich befindet sich zwischen der Soret-Bande und den beiden Absorptionsbanden oberhalb von 500 nm. Die beiden Spektren, die aus nahe beieinander befindlichen Positionen stammen, zeigen den Einfluss der streuenden Eigenschaften der Haut.
Die erhaltenen diffusen Reflexionsspektren der Abbildung 5 befinden sich in Übereinstimmung mit den Spektren von Stahl et al. [48], der seine Kalibrierung ohne Referenzhautdaten durchgeführt hat. Trotzdem konnte er die Reflexionsspektroskopie erfolgreich eingesetzt, um Änderungen der Karotinoide nach oraler Einnahme von Karotinoiden an unterschiedlichen Körperstellen zu messen und diese Werte mit den im Blut vorhandenen Karotinoide zu vergleichen.
Optisch gesehen ist menschliche Haut ein komplex inhomogenes, vielschichtig stark streuendes und absorbierendes Medium mit einem hohen Anisotropiefaktor. Normalerweise ist der reduzierte Streukoeffizient ps höher als der Absorptionskoeffizient μ3, der bei in vitro- und in vivo-Messungen mit verschiedenen Methoden erzielt wird. Die zufällig inhomogen verteilten Chromophoren beeinflussen die optischen Eigenschaften μΆ und μδ der Hautschichten. Deshalb sind die Reflexionsspektren durch die Streueigenschaften der Haut und auch durch die Chromophoren in der Haut bestimmt. Starke Absorber verringern das zurück gestreuten Lichts durch Absorption in den jeweiligen Wellenlängenbereich, wo die Banden liegen. So dringt blaues Licht bei 465 ± 25 nm nur etwa 150-200 pm tief in die Haut (mittlere Weglänge, die verbunden ist mit dem hohen Absorptionskoeffizienten der vorliegenden Wellenlängen).
Die menschliche Haut enthält verschiedene Chromophore, die in der Lage sind Licht im blauen Bereich des optischen Spektrums zu absorbieren und die die Reflexionsmessungen möglicherweise beeinflussen könnten. Die am meisten vorkommenden sind die Karotinoide, Melanin, Flavin-Adenin-Dinucleotid (FAD), reduziertes FAD (FADH2), deoxygeniertes Hämoglobin oder oxygeniertes Hämoglobin, Bilirubin und Wasser.
Die Epidermis enthält keine Blutgefäße, daher kann Hämoglobin und Bilirubin erstmals im Bereich der Basalmembran gefunden werden, die eine Grenze zwischen der Epidermis und der Dermis darstellt. Ihre Konzentration erhöht sich tief in der Dermis mit zunehmendem Blutanteil. Die Dicke der Epidermis variiert je nach Hautareal zwischen 50μητι und 600μητι. Um den Einfluss der Blutchromophoren wie Hämoglobin und Bilirubin zu minimieren, wurden die Reflexionsmessungen deshalb an der Handfläche, wo die Epidermis die größte Dicke hat (bis zu 600μητι), durchgeführt. Dennoch beeinflusst der hohe μ3 von Hämoglobin ebenso wie die streuenden Eigenschaften die diffuse Reflexion, wie in Abbildung 5 deutlich wird. Zur Minimierung des Einflusses der Blutchromophoren auf die Reflexionsmessungen wurde der Abstand zwischen dem Auskopplungsfenster und dem Einkopplungsfenster so gewählt, dass im Mittel nur zurück gestreutes Licht aus bis zu 200μητι erhalten wird.
Die Tiefenverteilung der Karotinoide in der menschlichen Epidermis ist inhomogen mit einem starken Konzentrationsgradienten von der Hautoberfläche in die tieferen Schichten der Epidermis. Die höchste Konzentration wurde auf der Hautoberfläche und in den oberen Schichten des Stratum corneum gefunden. Dies kann durch die kontinuierliche Sekretion der Karotinoide über Schweißdrüsen und / oder Talgdrüsen an die Hautoberfläche erklärt werden. Das Verhältnis zwischen der höchsten Karotinoid-Konzentration, gemessen in einer Tiefe von 6 ± 2 μητι und der Konzentration in einer Tiefe von 24μητι wurde mit etwa 7 ± 2 festgestellt. Es ist davon auszugehen, dass die Karotinoid-Konzentration in der tiefsten Epidermis, Stratum basale, hoch ist, was verbunden sein kann mit den Diffusionsprozessen von Karotinoiden aus Blut, Lymphe und Fettgewebe. Folglich sind die epidermalen Karotinoide ideale Komponenten zur Detektion mit dem mobilen Gerät.
Die Redox-Cofaktoren, FAD und FADH2, die eine wichtige Rolle im Zellemetabolimus spielen, können in der höchsten Konzentrationen in lebenden Zellen gefunden werden, d.h. in den tiefen Schichten der Epidermis (Stratum spinosum und Stratum basale). Diese Zellschichten werden jedoch nicht signifikant von der Messung mit dem mobilen Gerät betroffen.
Andere epidermale Chromophoren, wie die proteingebundenen Aminosäuren Tryptophan und Tyrosin sowie Nicotinamidadenindinucleotid (NAD+) reduziertes NAD+ (NADH), Urocaninsäure, Fettsäuren, DNA, Vitamin E und Proteine absorbieren vorwiegend im UVB Teil der optischen Spektrums und haben deshalb keinen Einfluss auf die durchgeführten Messungen.
Wasser hat eine minimale Absorptionskoeffizient im blauen Bereich des Spektrums und hat damit keinen Einfluss auf die durchgeführten Messungen.
Schlussfolgerung
Es konnte gezeigt werden, dass für die Absorption im Messbereich zwischen 458nm und 472nm meist Karotinoide verantwortlich sind, die leicht durch reflexionsspektroskopische Hautmessungen mit Hilfe des mobilen Geräts detektiert werden können.
Das mobile Gerät ist deshalb ideal geeignet schnell, sicher und zuverlässig Karotinoide an der Handfläche des Menschen oder der Kuheuterhaut zu messen und somit Aussagen über das antioxidative Potential zu machen. Es kann somit als Biofeedback-System zum in vivo Monitoring verwendet werden, das dem Benutzer hilft sein Gesundheitsverhalten zu verbessern. Messung von Stress
Basierend auf der Karotinoidmessung kann der Stress, der sich aus dem individuellen Lebensstil ergibt, bestimmt werden kann. Da sich die Konzentration der Antioxidantien in der Haut unter besonderen Bedingungen schnell ändern, z.B. durch Trinken von Alkohol, wenig Schlaf etc., kann der daraus resultierende Stress im Hinblick eine gute Gesundheit individuell berechnet werden. Durch tägliche Messungen über einen längeren Zeitraum, z.B. 14 Tage, repräsentieren die Messdaten ein mehr oder weniger typisches Verhalten der Person, das zu den jeweiligen Karotinoidkonzentrationen führt. Das bedeutet, der Mittelwert der gemessenen Konzentration spiegelt das individuelle Verhalten in Bezug auf die Gesundheitsvorsorge wider. Beim Vergleich des Mittelwertes mit einem aktuellen Karotinoidmesswert, ausgedrückt als Prozentsatz der Veränderung, kann das gegenwärtige Verhalten bewertet werden, wobei Mittelwert und aktueller Messwert durch zusätzliche Werte, insbesondere durch Messergebnisse aus dem Nachweis anderer Vital parameter (z.B. Gewicht), verbessert werden kann. Eine positive Zahl bedeutet, dass eine Person auf einem individuellen Niveau ihre Gesundheitsvorsorge voranbringt, während eine negative Zahl das Gegenteil demonstriert. Die Zahl fördert die Einstellung des Individuums im Hinblick auf die für die Gesundheitsvorsorge notwendigen Verhaltensänderungen im Lebensstil. Sie ermöglicht aber auch, dass Personen ihr Verhalten miteinander vergleichen, selbst wenn sie ein unterschiedliches Niveau an Antioxidantien haben.
Karotinoid-Messungen an Rinder Euter
Durch Karotinoid Messungen am Kuheuter kann ein Screening zur Trennung der Milch von erkrankten Tieren durchgeführt werden. Aufgrund der Tatsache, dass bei einer Erkrankung die Karotinoidkonzentration in der Haut absinkt, kann bei einem entsprechenden Messergebnis die betroffene Milch automatisch über einen Bypass in einem separaten Gefäß gesammelt werden. Eine Kontamination der Milch von gesunden Kühen wird vermieden. Eine nachfolgende ärztliche Untersuchung entscheidet, ob eine Erkrankung vorliegt oder nicht und ob die Qualität der Milch noch den rechtlichen Bestimmungen entspricht. Der Vorteil dieser Anwendung ist vor allem wirtschaftlich im Hinblick auf die Gesundheit des Tieres und der Vermeidung einer Kontamination gesunder Milch. Bei der Integration der MSS in das Melksystem kann die Karotinoidmessung automatisch erfolgen. Bei Realisierung als mobiles Handheld-System können mit dem gleichen Gerät mehrere Tiere gemessen werden.
Körperliche Ausdauer - VO2inax
Die körperliche Ausdauerleistungsfähigkeit des Menschen, ausgedrückt als VO2max (maximale Sauerstoffaufnahme oder aerobe Kapazität), kann spektroskopisch bestimmt werden. In WO 2007/085435 erfolgt dies über die Messung der Cytocrom- C-Oxidase. Das Enzym Cytochrom-C-Oxidase befindet sich am Ende der Atmungskette (Mitochondrien) und ist verantwortlich für die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser. Die freigesetzte Energie wird von den Muskeln genutzt. Ähnlich wie bei der Detektion von Antioxidantien, kann die Messung mit Hilfe der Reflexions- Spektroskopie durchgeführt werden, wobei die Anregung im Wellenlängenbereich von 500nm bis 900nm erfolgt. Da Ernährung und körperliche Fitness die Gesundheit des Menschen nachhaltig beeinflussen, ist es von großem Nutzen, wenn dem Individuum Biofeedback Daten mit Hilfe des gleichen spektroskopischen Systems zur Verfügung gestellt werden können.
Ein mobiles Gerät, mit dem sowohl die Konzentration der Karotinoide wie die Cytochrom-C-Oxidase bestimmt werden kann, muss allerdings speziell gestaltet sein, da die spektroskopische Messung in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erfolgt. Weil kurzwelliges und langwelliges und Licht unterschiedlich tief in die Haut eindringen, müssen die Breite der Lichtsperre (6) und die Fenstergröße zur Einstrahlung (4) und zur Erfassung des remittierten Lichts (5) diesem Unterschied Rechnung tragen. Abb. 6 zeigt eine entsprechende Anordnung, bei der beispielsweise die Breite der Lichtsperre ca. 0,5 mm und die Größe von Fenster (4) ca. 3x3 mm und von Fenster (5) 3x2 mm betragen. Die notwendigen LED können in einer oder mehreren Reihen auf der Beleuchtungseinheit (8) angeordnet sein. Die LED, die zur Detektion der Karotinoide erforderlich sind, sollten sich am nächsten zur Lichtsperre (6) befinden. Ihr Abstand kann z.B. ca. 1 mm betragen.
Auf Grundlage dieser Anordnung zeigt Abbildung 8 eine starke Korrelation von R = 0,78 bei der Vorhersage von VO2inax durch reflexionsspektroskopische Messung der Cytochrom-C-Oxidase. Die Referenzwerte für die Kalibrierung wurden über spiroergometrische Tests ermittelt. Der Korrelationskoeffizient für den Nachweis von Karotinoiden (Abb. 4a und 4b) basierte auf dem gleichen Design von Fenstern und Lichtsperre.
Ausführungsbeispiel für das Design des mobilen Geräts
Abbildung 6 zeigt den möglichen Aufbau des mobilen Geräts bestehend aus einem Spektrometer (1 ), einer optischen Einheit (2) und einer elektronischen Einheit (11 ) zur Steuerung und Verarbeitung sowie zur Übertragung von Daten an einen zentralen Server, auf dem z.B. die Berechnung der Stoffkonzentrationen stattfindet. Das miniaturisierte Spektrometer (MSS) besitzt z.B. ein repliziertes holographisches Gitter, das für einen großen Wellenlängenbereich z.B. 390nm - 970nm ausgelegt ist.
Die optische Einheit (2) ist ein monolithisches Bauelement, das ein abbildendes optisches Element (7) enthält (z. B. Spiegel oder Linse), um das Licht von der Probe auf den Eintrittsspalt der angeschlossenen Spektrometereinheit (1 ) zu lenken und das als Aufnahme für eine Beleuchtungseinheit (8) dient, die aus einer oder mehreren Lichtquellen (z.B. LED) zur Beleuchtung einer Probe (10), beispielsweise menschliche Haut, besteht. Vorzugsweise ist zur Messung der Karotinoide der Einsatz von nur einer LED mit einem Emissionsspektrum von 440nm bis 490nm als Lichtquelle sinnvoll.
Da die Position von Beleuchtungseinheit (8) und abbildendem optischen Element (7) durch das monolithische Bauelement (2) bestimmt wird, treten keine Ungenauigkeit beim Assemblieren von optischer Einheit und Spektrometereinheit auf. Unterschiede in der Positionierung von Beleuchtung und abbildendem optischen Element beeinflussen die Qualität der spektroskopischen Analyse (z.B. die Entwicklung geräteübergreifender Analysealgorithmen zur Bestimmung der Stoffkonzentration) und behindern damit die Serienfertigung.
Um eine spektroskopische Messung zu ermöglichen, besitzt die optische Einheit (2) zwei Fenster (4, 5) aus lichtdurchlässigem Material und eine Kontaktfläche (9), um das mobile Geräts zur Messung auf der Probe (z. B. Haut) zu platzieren. Fenster (4) ermöglicht die Beleuchtung der Probe (z. B. Gewebe); Fenster (5) ermöglicht das Licht von der Probe zum abbildenden optischen Element gelangt. Für die Montage von optischer Einheit (2) und Spektrometereinheit (1 ) kann vorzugsweise eine Klemmvorrichtung verwendet werden, die thermische Einflüsse ausgleicht.
Das Gehäuse des mobilen Geräts (3) schützt die optische Einheit (2) in einer Weise, dass durch das Platzieren des Geräts auf der Probe keine unzulässigen externen Kräfte auf das monolithische Bauelement und das angeschlossene Spektrometer (1 ) wirken. Die Konstruktion verhindert auch die Einflüsse anderer externer Quellen (z.B. Licht, Staub, Feuchtigkeit)
Bei Anwendung von LED als Lichtquelle, kann die Beleuchtungseinheit vorzugsweise aus einem Träger mit hoher Wärmekapazität bestehen oder z.B. als Kupferplatte bzw. als Kupfer enthaltender Träger zum Bonden von Nacktchip LED realisiert sein. Die Beleuchtungseinheit ist mit der elektronischen Einheit (11 ) zur Steuerung und Regelung der Lichtquelle verbunden. Sie wird in der optischen Einheit platziert und fixiert. Werden mehrere LED mit gleichem Emissionsspektrum als Lichtquelle verwendet, die sich in unterschiedlichen Abstand zur Lichtsperre befinden und die nacheinander eingeschaltet werden, so enthält das aus der Haut zurück gestreute Licht Ortsinformationen, die eine genauere Konzentrationsbestimmung ermöglichen.
Die optische Einheit kann vorzugsweise im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Zur Realisierung der Fenster (4, 5) ist das Einfügen einer separaten Glas- oder Kunststoff platte oder ein Zwei-Komponenten-Spritzguss möglich. Um spezielle Effekte beim Auskoppeln und/oder Einkoppeln des Lichts zu erzielen (z.B. Verteilung des Lichts, Selektion von Wellenlängen), wird die optische Qualität der Fenster entsprechend angepasst. Für eine einfache Reinigung der Fenster und zur Vermeidung das Gewebe bei der Hautmessung in die Fensterfläche gedrückt wird, befinden sich bei einer bevorzugten Lösung Kontaktfläche (9) und Fenster (4, 5) auf gleichem Niveau.
Ähnlich wie in Abb.7 dargestellt, können auf der Kontaktfläche (9) verschiedenen Ebenen realisiert werden, z. B. um bei einer Messung das Schwitzen der Haut zu reduzieren oder bestimmte Design-Effekte zu erzielen. Um zu gewährleisten, dass bei der Messung eine reduzierte Kraft (N/mm2) als Folge einer homogenen Verteilung des Anpressdrucks auf das Gewebe wirkt und um zu verhindern, dass Umgebungslicht durch Wandern im Gewebe in das Einkopplungsfenster gelangt und die Qualität der Analyse beeinflusst, wird die Größe der Kontaktfläche entsprechend ausgewählt. Ein Größe von 16cm2 und ein Durchmesser von ca. 45mm bei runder Geometrie ist eine mögliche angemessene Größe.
Eine spektroskopische Referenz für die Kalibrierung kann in einer abnehmbaren Kappe untergebracht werden, die Kontaktbereich (9) und Fenster (4, 5) umschließt. In diesem Fall wird eine Messung mit Kappe zu einem ausgewählten Zeitpunkt durchgeführt und das Ergebnis in den Kalibrieralgorithmus des mobilen Geräts integriert. Die Kappe schützt gleichzeitig die Fenster (z.B. gegen Kratzer), wenn der Benutzer das mobile Gerät z.B. in einer Handtasche oder im Rucksack transportiert.
Das spektroskopische System des mobilen Geräts kann auch durch Verwendung eines Dioden-Arrays realisiert werden, das die Spektrometereinheit (1 ) ersetzt. Werden mehrere LED verwendet, die jeweils einen kleinen und spektral unterschiedlichen Wellenlängenbereich emittieren, wird die Beleuchtung durch die elektronische Einheit (11 ) so gesteuert, dass die LED nacheinander angeschaltet werden, so dass jeweils nur Licht mit einem kleinen Spektral bereich über das abbildenden optische Element (3) das Dioden-Array erreicht. Alternativ kann auch auf die abbildende Optik verzichtet werden. In diesem Fall können LED und Dioden gemeinsam auf der Beleuchtungseinheit gebondet werden, die dann so gestaltet ist, dass sich die Lichtsperre der optischen Einheit nach Platzierung der Beleuchtungseinheit zwischen LED und Dioden befindet. Eine solche Lösung führt zur Minimierung von Montagetoleranzen und reduziert somit spektroskopische Unterschiede zwischen Geräten gleicher Produktion. Der Vorteil bei Verwendung des Dioden-Arrays liegt in einer kleineren Baugröße und niedrigeren Gesamtkosten des mobilen Geräts. Statt des Dioden-Arrays kann auch ein Farby-Perot Filterarry mit einer Vielzahl unterschiedlicher Zentralwellenlängen verwendet werden, das auf einem Substrat oder direkt auf den Pixeln eines CMOS/CCD Arrays platziert ist. Da die einzelnen Pixel nur Licht bestimmte Wellenlängen erreicht, können Ortsinformationen aus dem aus der Haut zurück gestreuten Licht entnommen werden. Diese ermöglichen neben der Tiefenbestimmung der gemessenen Konzentrationen auch eine Trennung von Signal und Streuung, was die Genauigkeit der Messung erhöht. Ein nach Anmeldung EP 2057446 hergestelltes Fabry-Perot Filterarray hat zudem den Vorteil, dass es trotz hoher spektraler Auflösung kostengünstig hergestellt werden kann.
Prozess zur Bestimmung von Ernährungszustand, körperlicher Ausdauerleistungsfähigkeit (V02max) und Lebensstil verursachtem Stress
Abbildung 9 zeigt den Prozess zur Bestimmung von Ernährungszustand, körperliche Ausdauerleistungsfähigkeit (V02max) und Lifestil verursachtem Stress
Bei Messungen mit dem oben beschriebenen mobilen Gerät kann die spektrale Information via Bluetooth, WLAN oder USB auf ein Handy oder einen Computer übertragen und von dort an einen zentralen Server übermittelt werden, der die Daten auswertet und das Ergebnis auf der Benutzeroberfläche anzeigt. Übertragung und Verarbeitung von Daten kann wie in DE 10 2006012 681 beschrieben erfolgen.
Darüber hinaus ist folgendes möglich:
Für die Nutzung des mobilen Geräts erhält der Benutzer eine Anwendungssoftware. Nach der Installation kann er auf seinem Computer oder seinem Mobiltelefon durch Aktivieren einer App automatisch eine Verbindung mit dem Portal und dem zentralen Server herstellen. Nachdem er sich in einem ersten Schritt am Server registriert hat, werden anschließend alle Ergebnisse in einem sichern und nur ihm zugänglichen Bereich angezeigt. Wenn der Benutzer mit dem Portal / Server das erste Mal verbunden ist oder auch jeweils vor Beginn einer Messung, kann er eine Art Anamnesefragebogen ausfüllen, der eine automatische Zuordnung von gemessenem Ergebnis und angegebener Antworten ermöglicht. Auf diese Weise können die Ursachen für Messergebnisse identifiziert werden.
In dem Fall, dass sich die zur Analyse der Messdaten notwendigen Algorithmen nicht im mobilen Messgerät befinden, sondern auf dem zentralen Server gespeichert sind, können sich auch zusätzlich Korrekturalgorithmen auf dem Server befinden, die Montage oder Produktionstoleranzen ausgleichen, so dass vorzugsweise für alle Geräte ein einheitlicher Algorithmus verwendet werden kann. Die Korrekturalgorithmen können bei der Assemblierung der Geräte ermittelt und entweder im mobilen Messgerät gespeichert und bei der Datenübertragung an den zentralen Server übermittelt werden oder sie werden nach dem Assemblierungsvorgang mit einer Gerätekennung direkt an den Server übertragen. Bei der Registrierung des Nutzer muss dieser neben bestimmten Daten zur Identifizierung seiner Person (incl. Anforderung billing) auch ein Messspektrum seines mobilen Messgeräts übermitteln. Dieses Messspektrum enthält neben der spektralen Information auch die Gerätekennung, so dass anschließen eine Zuordnung von Messperson und Messgerät möglich ist. Zur Analyse der Messdaten kann dann der Korrekturalgorithmus werden, der bei der Assemblierung für das jeweilige Messgerät ermittelt wurde. Diese Prozedur hat den Vorteil, dass vom Kunden keine Gerätenummer händisch oder durch einscannen eines Barcodes übermittelt werden muss.
Zur Unterstützung der Anwender kann sich bei einer bevorzugten Lösung auf dem Server eine zusätzliche Datenbank befinden, die detaillierte Informationen über die Inhaltsstoffe von Lebensmitteln enthält, z. B. Menge an enthaltenen Antioxidantien (Vitamine), Gehalt an Eiweiß, Fett oder Kohlenhydraten, Kalorien etc.. Der Nutzer kann sich durch Selektion von Lebensmitteln automatisch die Menge der dem Körper zugeführten Inhaltsstoffe berechnen lassen. So beispielsweise für Lebensmittel, die er an diesem Tag konsumiert hat oder die er in den kommenden Tagen oder der gesamten Woche konsumieren will. Vergleicht man die berechnete Menge an Antioxidantien mit dem Karotinoidniveau, das mit dem mobilen Gerät in der Haut gemessen wurde, so ist die Optimierung der Ernährungsgewohnheiten möglich z.B. durch Auswahl besser geeigneter Lebensmitteln mit höherem Antioxidantiengehalt. Gleichzeit ermöglicht dieser Vergleich auch eine Bewertung der stressenden Lebensstilfaktoren (siehe Anamnesefragebogen) und unterstützt somit auch eine gezielte Veränderung der Verhaltensweisen. Auf diesem Weg ist es möglich das präventive Gesundheitsverhalten insgesamt zu verbessern.
Da die Menge der in der Haut befindlichen Antioxidantien auch von der tatsächlichen Qualität der gekauften Lebensmittel abhängt, kann der Kunde aus einer Datenbank einen anderen Händler oder Hersteller für sein Obst oder Gemüse auswählen, wenn der Vergleich zwischen Messung und berechneten Antioxidantien eine geringe Wirksamkeit der Nahrung zeigt. Coaching Informationen über Hersteller und Lieferanten in räumlichen Nähe, erhält der Nutzer aus der auf dem Server gehosteten Datenbank. Der Kunde kann auch ein individuelles Coaching über eine Expertendatenbank erhalten, die ihm in Bezug auf seine Messergebnisse und unter Rückgriff auf die vom Kunden selbst in die Datenbank eingegebenen Ziele, Präferenzen (bevorzugte Lebensmittel, sportliche Aktivitäten, Lebensstil, etc.) aber auch Handicaps (z.B. Allergien, Bewegungsapparat, körperliche Handicaps) individuell zugeschnittene Vorschläge (z.B. spezielle Kochrezepte, Trainingspläne), zur Verbesserung des Antioxidantienniveaus und/oder der körperlichen Ausdauerleistungsfähigkeit macht. Wenn der Kunde einwilligt alle vorhandenen Informationen auf Basis des gemessenen Ergebnisses zu erhalten, ist ein sehr individuelles Coaching möglich, dass ihm hilft seinen Gesundheitsstatus mit Hilfe des Biofeedbacks deutlich zu verbessern.
Da für den dauerhaften Erhalt der Gesundheit der aktuelle Ernährungszustand und die körperliche Fitness von Bedeutung sind, wird durch Verrechnen von Antioxi- dantienmesswert (z.B. Karotinoidkonzentration) und Ausdauerleistungsfähigkeit (V02max) ein empirischer Präventionswert bestimmt, der den aktuellen Status des Nutzers bei seinen Bemühungen um den Erhalt seiner Gesundheit widerspiegelt. Die Beziehung zwischen beiden Messwerten kann z.B. bei einer normierten Skala mit Hilfe einer speziellen Funktion in gewissen Grenzen multiplikativ sein, so dass ein hoher Wert auf der einen Seite einen niedrigen Wert auf der anderen Seite ausgleicht. Die Verortung beider Messwerte kann auch in einem zweidimensionalen Koordinatensystem erfolgen und so die Identifizierung von Gesundheits- und Risikobereichen ermöglichen, in denen sich der Nutzer aktuell befindet. Da sämtliche Messdaten auf dem Server gespeichert sind, kann bei einer bevorzugten Lösung auf Basis der Vergangenheit auch der zukünftige Verlauf des Präventionswerts berechnet werden, der dem Nutzer zeigt, wo er in Zukunft stehen wird und welche Auswirkungen sein gegenwärtiges Verhalten langfristig hat.
Die Aussagequalität des Präventionswerts kann noch weiter gesteigert werden, wenn bei der Berechnung die am Tag durch zu Fuß gehen/Laufen zurückgelegte Strecke berücksichtigt wird (z.B. durch Einsatz eines elektronischen Schrittzählers). Der Nutzer muss die Daten in der Datenbank hinterlegen (z.B. im Anamnesefragebogen). Gleiches gilt für das Körpergewicht des Nutzers, da Übergewicht in vielen Fällen eine Frage von Ernährung und sportlicher Betätigung ist. Eine in diesem Sinne interessante und für den Nutzer komfortable Anwendung ergibt sich, wenn das spektrosko- pische System in eine Körperwaage integriert wird. Jeden Morgen, wenn der Nutzer sein Körpergewicht barfuss auf der Waage misst, können die Karotinoide automatisch mitgemessen werden, denn die Fußsohle ist ebenso wie die Handfläche ein idealer Ort zur Messung der Antioxidantien. Die körperliche Ausdauerleistungsfähigkeit kann an diesem Ort ebenfalls bestimmt werden.
Literaturliste
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Claims

Ansprüche
1. Mobiles Messgerät enthaltend:
- ein Gitterspektrometer (1 ),
- eine Beleuchtungseinheit (8),
- eine elektronische Einheit zur Datenverarbeitung, zum Transfer von Daten und zur Steuerung der Lichtquelle (11 ).
- ein Licht Auskopplungsfenster (4),
- ein Licht Einkopplungsfenster (5),
- wobei das Licht auskoppelnde Fenster und das Licht einkoppelnde Fenster einen lateralen offset haben und durch eine Lichtsperre (6) voneinander getrennt sind,
- wobei das Licht auskoppelnde Fenster und das Licht einkoppelnde Fenster in einer Weise gestaltet sind, dass das aus dem Auskoppelfenster emittierte Licht und über das Einkoppelfenster erhaltene Licht durch die Haut gewandert ist und eine Messung von dem auf der Hautoberfläche direkt reflektierten Licht verhindert wird,
- wobei Geometrie und Größe von Fenster und Lichtsperre sowie die Positionierung der Beleuchtungseinheit im Bereich hinter dem Auskoppelfenster so gewählt sind, dass durch spektroskopische Messung an der Haut Aussagen zum antioxidativen Potential beispielsweise durch Messung der Karotenoidkonzentration in der Haut und zur körperlichen Ausdauerleistungsfähigkeit, ausgedrückt als VO2max, z.B. durch Messung der Cytochrom-C-Oxidase, in hoher Präzision mit der gleichen Anordnung möglich sind,
- wobei Größe und Geometrie der bei der Messung mit der Haut in Kontakt kommenden Fläche so gewählt sind, das weder der Anpressdruck während der Messung noch das neben der Kontaktfläche in die Haut eindringende Umgebungslicht die Qualität der Messung beeinträchtigen kann.
2. Mobiles Messgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet das eine bevorzugte Konstruktion Fenster, Lichtsperre, Kontaktfläche, Positioniervorrichtung für die Beleuchtungseinheit und eine abbildende Optik (z.B. Spiegel, Linse), die das aus der Probe (z.B. Haut) zurück gestreute Licht auf den Schlitz des Spektrometers abbildet, zu einer monolithischen Einheit vereint, so dass es bei der Montage mit dem Spektrometerkörper nicht zu Ungenauigkeiten kommen kann, die die Qualität der spektroskopischen Messung und/oder die Qualität der Serien Produkte des mobilen Messgeräts beeinträchtigen können, wobei zur Detektion von Karotinoiden die Beleuchtung der Haut mit nur einer LED im Wellenlängenbereich von etwa 440- 490nm ausreicht und zur spektroskopischen Bestimmung von V02max weitere LED im Bereich von 500-900nm erforderlich sind und alle LED auf einer Beleuchtungseinheit (8), z.B. einem Kupferblech oder einem Kupfer enthaltenden Blech oder einem Träger mit hoher Wärmekapazität und Leiterbahnen, gebondet sein können und die zur Karotinoidmessung erforderliche LED am nächsten zur Lichtsperre platziert ist, wobei die Beleuchtungseinheit auch LEDs mit gleicher Emissionscharakteristik enthalten kann, die sich aber in unterschiedlichen Abstand zur Lichtsperre befinden, so dass durch das nacheinander Anschalten der LED und ihre unterschiedliche Platzierung Ortsinforrnationen erzeugt werden, die die Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung erhöhen, weil im Gewebe z.B. auch eine vertikale Verteilung der Stoffkonzentration berücksichtigt werden kann und eine Trennung zwischen Signal und Streuung möglich wird.
3. Mobiles Messgerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht auskoppelnde Fenster (4) eine Größe von etwa 3x3mm hat und das Licht einkoppelnde Fenster (5) eine Größe von etwa 2x3mm hat und Fensteraußenfläche und Kontaktfläche keinen Höhenunterschied aufweisen und die Lichtsperre (6) eine Breite von etwa 0,5mm hat und sich auf der Beleuchtungseinheit (8) die zur Karotinoidmessung erforderliche LED etwa 1 mm neben der Lichtsperre befindet.
4. Mobiles Messgerät nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (9) eine Größe von z.B. 16cm2 hat und durch eine runde Geometrie mit einem Durchmesser von ca. 45mm realisiert ist.
5. Mobiles Messgerät nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine spektroskopische Referenz zur Kalibrierung in eine abnehmbare Kappe integriert ist, die die Kontaktfläche und die Fenster umschließt, wobei diese Kappe die Fenster auch vor dem Verkratzen schützt.
6. Mobiles Messgerät nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene LED mit unterschiedlicher Emissionscharakteristik zur Beleuchtung einer Probe (z.B. Haut) verwendet werden und das Licht im Einkoppelfenster über eine Abbildungsoptik auf ein Dioden Array zur Detektion projiziert wird, wobei auch auf die Abbildungsoptik verzichtet werden kann, so dass LED und Dioden auf einer gemeinsamen Platine gebondet sein können und der Abstand zwischen beiden die Lichtsperre integrieren kann, wobei an Stelle des Dioden Array auch ein Fabry-Perot- Filter Array mit einer Vielzahl von Filtern unterschiedlicher Zentralwellenlängen verwendet werden kann, die auf einem Substrat oder direkt auf den Pixeln eines CMOS/CCD Arrays platziert sind, so dass nur Licht limitierter Wellenlängen jeweils die einzelnen Pixel des CMOS/CCD Arrays erreicht und somit ortsaufgelöste Spektren mit hoher spektraler Auflösung realisiert werden können, wobei in diesem Fall auch eine Lichtquelle mit breitem Emissionsspektrum verwendet werden kann.
7. Spektroskopisches System nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es in eine Personenwaage integriert ist und so automatisch bei jeder barfüßigen Nutzung neben dem Gewicht automatisch die Karotenoidkonzentration und/oder spektroskopisch die körperliche Ausdauerleistungsfähigkeit (z.B. VO2max) bestimmt wird.
8. Spektroskopische Messsystem nach den Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass es in eine Melkvorrichtung integriert ist und am Kuheuter bzw. an den Zitzen der Kuh zur Antioxidantienmessung genutzt wird und z.B. über die Karotinoidkonzentration automatisch gesunde von erkrankten Kühen unterschieden werden können, wobei diese Information z.B. zur Steuerung eines Bypass dienen kann, so dass die eventuell kontaminierte Milch in einem separaten Behälter gesammelt wird, wobei eine solche Messung auch mit Hilfe des mobilen Messgeräts erfolgen kann.
9. Verfahren zur Erzeugung von Biofeedback Informationen durch spektroskopische Messung an der Haut mit Hilfe des in den Ansprüchen 1 bis 6 beschriebenen mobilen Messgeräts und dem integrierten spektroskopischen System der Ansprüche 7 und 8 folgende Schritte aufweisend:
- Durchführen einer spektroskopischen Messung an der Haut
- Automatisches Übertragung der Messdaten (z.B. per Bluetooth, WLAN, USB) an ein Daten weiterleitendes System z.B. Computer oder Mobiltelefon, das die Daten z.B. über das Internet an ein Portal bzw. einen Server zur zentralen Datenanalyse überträgt, wobei die Daten und Ergebnisses dort gespeichert und die Ergebnisse auf dem Display des Daten weiterleitenden Systems angezeigt werden können.
10. Verfahren zur Erzeugung von Biofeedback Informationen nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass der Nutzer die Hautmessung selbst durchführen kann indem er einen App auf der Benutzeroberfläche seines Daten weiterleitenden Systems aktiviert, um auf dem Server Zugang zu einen für ihn reservierten Bereich zu erhalten, an den seine spektroskopischen Daten nach vollzogener Messung automatisch übertragen, ausgewertet, gespeichert und angezeigt werden, wenn er einen Knopf an seinem mobilen Messgerät zum Start der Messung drückt, wobei er bei der ersten Messung oder vor jeder Messung auf dem Server Informationen in eine oder mehreren Datenbanken eingeben kann, die z.B. seinen gegenwärtigen Lebensstil (z.B. Schlafdauer, Alkoholkonsum, sportliche Aktivitäten), spezielle Präferenzen (z.B. Ernährung, Sport, Freizeitaktivitäten) oder Restriktionen (z.B. Allergien, körperliche Handicaps) betreffen, so dass seine Messergebnisse durch Verknüpfung mit diesen Informationen und unter Einsatz spezifischer Algorithmen automatisch bewertet werden können und er auf dieser Grundlage sein Verhalten und seine Gesundheitsvorsorge optimieren kann, wobei der Nutzer bei der erstmaligen Registrierung am Server auch ein Messspektrum übermitteln kann, das die Gerätekennung enthält, so dass fortan eine Zuordnung von Nutzer und Gerät, sowie die Zuordnung von Korrekturalgorithmen möglich sind, die beispielsweise im Zuge der Assemblierung des Messgeräts auf dem Server hinterlegt wurden.
11. Verfahren zur Erzeugung von Biofeedback Informationen nach den Ansprüchen 9 und 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Nutzer mit Hilfe einer auf dem Server befindlichen Datenbank seine Nahrung auf Basis ihrer Nahrungsbestandteile zusammen zu stellen kann (z.B. enthaltene Menge an Antioxidantien, Fettgehalt, Kalorien), wobei die Konzentration der in der Haut gemessenen Antioxidantien und die Menge der potentiell mit der Nahrung aufgenommenen Antioxidantien, quantifiziert mit Hilfe der Auswahl in der Datenbank, zur Unterstützung des präventiven Gesundheitsverhaltens des Nutzers miteinander in Bezug gesetzt werden können, wobei eine auf dem Server befindliche Datenbank zu regionalen/überregionalen Herstellern/Händlern von Lebensmitteln den Nutzer auch beim Kauf einer höherwertigen Qualität der ausgesuchten Lebensmittel unterstützen kann, um auf diese Weise das Messergebnis zu verbessern, wobei die Datenbank u.a. die Adressen der Hersteller/Händler und die Kosten der Lebensmittel enthält.
12. Verfahren zur Erzeugung von Biofeedback Informationen nach den Ansprüchen 9 bis 1 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Expertendatenbank enthält, die dem Nutzer in Bezug auf seine Messergebnisse und den von ihm formulierten Zielen individuell zugeschnittene Vorschläge (z.B. spezielle Kochrezepte, Trainingspläne) zur Verbesserung des Antioxidantienniveaus und/oder der körperlichen Ausdauerleistungsfähigkeit macht, die ein individuelles Coaching des Nutzers auf Basis seiner eigenen Angaben (z.B. Präferenzen, Restriktionen, Lebensstil, bevorzugte Lebensmittel) und weiterer wissenschaftlicher Erkenntnisse ermöglicht.
13. Verfahren zur Erzeugung von Biofeedback Informationen nach den Ansprüchen 9 bis 12 dadurch gekennzeichnet, das der individuelle Stress des Nutzers auf Basis eines mittleren Antioxidantienniveaus (z.B. Karotinoidniveaus), ermittelt über mehrere, in einem bestimmten Zeitraum durchgeführte Messungen, verglichen wird mit dem aktuellen Antioxididantienmesswert und die Abweichung als Zahl (z.B. in Prozent) oder grafisch dargestellt, den individuellen Stress widerspiegelt, der positiv oder negativ sein kann, wobei das mittlere Antioxidantienniveau und/oder der aktuelle Antioxidantienmesswert ergänzt werden kann durch weitere Messwerte z.B. andere Vital parameter.
14. Verfahren zur Erzeugung von Biofeedback Informationen nach den Ansprüchen 9 bis 13 dadurch gekennzeichnet, das das Ergebnis der Antioxidantienmessung, z.B. Karotinoidmessung und die Bestimmung der körperlichen Ausdauerleistungsfähigkeit, z.B. gemessen als VO2max, gemeinsam zur Ermittlung eines präventiven Gesundheitswerts des Nutzers herangezogen wird, der durch weitere Messgrößen ergänzt werden kann und bei Rückgriff auf Messwerte der Vergangenheit auch ein prognostizierter Verlauf des Präventionswerts möglich ist, wobei die Verortung beider Messwerte in einem zweidimensionalen Koordinatensystem die Identifizierung von Gesundheits- und Risikobereichen ermöglicht, was auch für prognostizierte Verläufe gilt.
15. Verfahren zur Erzeugung von Biofeedback Informationen nach den Ansprüchen 9 bis 14 dadurch gekennzeichnet, das die Messergebnisse anonymisiert einer Datenbank zugewiesen werden und so ein jeweils aktuelles nationales oder internationales Kataster des Gesundheitsniveau einer Population entsteht, wobei durch Korrelation mit anderen Daten z.B. der Einfluss städtischer Agglomerationen, der Einfluss von Lärm- oder Schadstoffbelastungen, Vegetationen oder anderer spezifischer Eigenschaften auf das Gesundheitsniveau in Echtzeit ermittelt werden kann oder durch Langzeitvergleich z.B. die Wirkung gesetzlicher Regelungen überprüft werden kann.
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