Canlı dokularda glikoz seviyesi ile optik polarizasyon bozulma ilişkisinin modellenmesi

Abstract

Hastane ve ev kullanımına uygun minyatür ölçülerde, taşınabilir ve girişimsel olmayan(non-invaziv) bir şekilde kandaki şeker miktarını belirleyen glikoz seviyesi izleme cihazlarının geliştirilmesi ile ilgili çalışmalar 1980'lerde başlamış ve günümüzde de konu ile ilgili çalışmalar devam etmektedir. Ancak şu ana dek yüksek doğrulukta ölçümler yapabilen ve güvenilir bir cihaz henüz raflarda yerini alamamış ve insanların kullanımına sunulamamıştır. Bu tez kapsamında bu eksikliğin giderilmesi amacıyla ilk adımın atılması hedeflenmiştir. Diyabetin başlangıç ve seyir evresindeki takibinin yapılabilmesi için tıbbi cihazların araştırılması ve geliştirilmesi konusu ile ilgili farklı teknik ve yöntemler ile şu anda çok sayıda çalışma yapılmakta olup araştırmalarda klasik optik yöntemler kullanan yaklaşımların öne çıktığı görülmektedir. Polarize ışığın, polarimetrinin, biyolojik örneklerin incelenmesinde, tıbbi tanı ve teşhislerin konulmasında, algılama ve ölçüm sistemlerinde hassasiyeti arttırdığı bilinen bir gerçek olup günümüzde çeşitli uygulamalarda (mikroskop, MR vb.) sıklıkla kullanıldığı bilinmektedir. Polarimetri terimi, optikçe aktif maddelerin polarize olmuş ışığı döndürme gücüne verilen isimdir. Dönme miktarı ve yönü(optik dönme gücü) nitel ve nicel analiz için önemli bir özelliktir ve maddelerin kimyasal, fiziksel yapısı ve yoğunlukları hakkında önemli bilgiler içermektedir. Bu çalışmada herhangi bir insan deneyi yapılmamış olup litertürdeki çeşitli kaynaklardan elde edilmiş biyolojik dokulara ait optiksel parametreler kullanılarak bu dokuları en iyi şekilde temsil edebilen modeller oluşturulmuştur. Modeller oluşturulurken hücrelerin ana yapısını oluşturan başlıca moleküller üzerinde durulmuş ancak optiksel özellikleri çok az etkileyen hücresel moleküller dikkate alınmamıştır. Modeller optiksel özelliği en çok etkileyen üst ve alt deri, kanın moleküler bileşeni olan hemoglobinin yoğunluğu, hemoglobinin oksijence doymuşluk oranı ve kan plazması miktarı baz alınarak oluşturulmuştur. Bu nedenle çalışmada kullanılan kan modelinde kanın akış hızı, diğer kan proteinleri, alyuvarların şekli, oryantasyonu, sıcaklık ve yoğunluk olarak az olan diğer kan moleküllerinin modele etkisi ihmal edilmiştir. Böylelikle dokulara ait en basit optiksel modeller elde edilebilmiştir. Biyolojik dokulara ait soğurma, iletim, saçılma ve kırılma indisi değerleri belirlenerek modeller oluşturulduktan sonra glikoz seviyesinin ölçülmesi için uygun dalga boyu aralığı belirlenmiş ve sonra optiksel özelliği belirleyen dört tane parametrenin belirlenen dalga boyu aralığındaki davranışı incelenmiştir. Böylelikle glikoz ölçümü için uygun dalga boyu penceresi belirlenmiş ve test edilmiştir. Daha sonra bu modelleri ve optiksel tasarım programında mevcut olan çeşitli analiz fonksiyonlarını kullanarak belirlenen dalga boyunda glikoz oranına bağlı olarak de-polarizasyon bilgisi ölçülmüştür. En son olarak da glikoz oranı-polarizasyon bilgisi değişkenlerini kullanarak matematiksel bir ifade elde edilmiştir. Böylece matematiksel denklem sayesinde polarizasyon bilgisine bağlı olarak glikoz oranı tahmin edilebilir hale gelmiştir. Tüm bunlara ek olarak bu tez, şu anda kullanıcılar tarafından çok geniş bir kullanım imkanı bulamayan optiksel tasarım programı ile tasarım, modelleme yapılması optikçe aktif maddelere ait optiksel katsayıların tanımlanması, katalogların kullanılması, tanımlanması ve çeşitli analizlerin yapılmasında giriş ve orta seviyede kalmak üzere yararlı ve kullanışlı bilgiler içermektedir. Klasik optik ve polarimetrik yöntemler kullanarak kan şekeri seviyesinde görülen anormal değişimler ile bu değişim yönünü (hiperglisemi veya hipoglisemi), şu aşamada, bir benzetim programı yardımı ile teorik olarak belirlemek bu çalışmanın temel amacıdır. Bu doğrultuda kullanılacak ışıkta beklenen polarizasyon bozulmasını belirleyecek temel parametreler olan insan derisi ve kanı (içeriği de dikkate alınarak) literatürden elde edilen bilgiler esas alınarak modellenmiş ve benzetim programına aktarılmıştır. Benzetim programı aracılığı ile polarizasyon bilgisindeki bozulmanın kan şekeri oranına ilişkin değişim bilgisini ifade eden ampirik matematiksel bir eşitlik önerilmiştir. Önerilen eşitlik kandaki glikoz seviyesini de-polarizasyon bilgisine bağlı olarak ortalama hata oranı % 0.1 olmak üzere tahmin edebilmekte ve kan şekeri seviyesinin normal/sağlıklı kabul edildiği [80-110] mg/dl aralığında neredeyse doğrusal bir ilişkiye sahiptir. Üretilen matematiksel modelin belirlenen dalga boyu aralığında diyabet hastaları için özellikle hipoglisemiye girme eğilimini öngörme firsatı sunması bakımından önemlidir.