利用中红外被动光谱成像技术实现远距离无创葡萄糖传感

原创 MEMS 2022-12-05 00:00

中红外光谱法可以实现无创血糖检测,但目前还没有开发出基于该方法的实用设备。据麦姆斯咨询报道,近期,日本香川大学(Kagawa University)的研究人员提出了一种利用中红外被动光谱成像实现远距离葡萄糖测量的方法。该方法利用人体热辐射的光谱成像在世界上首次实现了对葡萄糖诱导发光的远距离检测。此外,在60分钟时间内,每隔一定时间于手腕处采集的葡萄糖发射光谱显示,葡萄糖发射的光谱强度与侵入式传感器测量的血糖水平之间有很强的相关性。因此,该研究提出的新技术有望应用于糖尿病患者的实时监测,以检测睡眠期间的低血糖发作,并实现人群中高血糖症状的诊断。此外,该项技术可能为进一步的创新奠定基础,从而使远距离测量各种物质成为可能。相关研究成果以“Glucose emission spectra through mid-infrared passive spectroscopic imaging of the wrist for non-invasive glucose sensing”为题,发表于Scientific Reports期刊。

图1a显示的为用于皮肤测量的、基于中红外被动光谱成像的光学系统。该系统由一个光谱仪和一个可互换透镜组成,采用无限共轭比设计。由于处于热波段,中红外光被认为会受到仪器内部同步热辐射的影响。因此,在测量过程中使用加热器将光谱仪稳定在1°C以内。


图1 以受试者A的手腕和手背为测量点的中红外被动光谱成像光学系统

首先,该研究验证了所提方法能否获得皮肤表面的发射光谱。1名成年男性受试者参与了该研究。接下来,研究验证了所提出的葡萄糖定量检测方法。在该实验中,在从0分钟(测量开始)到60分钟(测量结束)的时间段内,每隔10分钟,分别使用该研究所提出的方法以及商用侵入式血糖传感器(GLUCOCARD PlusCare,Arkray公司,日本京都)对5名受试者的手腕进行一次测量。

随后,对采用该研究所提出的方法获得的数据进行处理,生成伪彩色图。受试者A接受测量时的血糖水平为84mg/dL。用中红外光谱中常用的傅立叶变换红外分光光度计(FTIR)测量葡萄糖水溶液的吸收光谱,如图2c、2d中的黑色虚线所示。从图中可以看出,分光光度计测量波段内葡萄糖发射率的代表性峰值在9.25μm和9.65μm波长处。因此,在9.65μm波长处的发射率被指定为葡萄糖发射率(图2a、2b),在手腕中心和手背周围的带状区域可以观察到高葡萄糖发射率。图2c、2d红色实线部分显示了在伪彩色图中选取的高发射率坐标(方形标记位置)处的平均发射光谱情况。将这两个光谱与葡萄糖溶液的FTIR光谱进行比较,发现在9.25µm和9.65µm的波长处有葡萄糖对应的发射峰。这一结果表明,所提出的方法可以用来测量葡萄糖浓度变化。


图2 以受试者A的手腕和手背为测量点的中红外被动光谱成像结果

图3a为受试者A在各时间间隔点的发射光谱。如图所示,该研究成功地在每个时间点的光谱中检测到葡萄糖发射峰。然而,由于测量过程中皮肤表面温度的降低,发射光谱的基线随着时间的增加而上移。因此,如图3b所示,将所有光谱归一化。此外,因为8.2μm波长处的峰值为葡萄糖依赖性较低的峰值,因此指定其为发射水平为0的峰值。受傅里叶光谱学测量原理的影响,峰波长会随着仪器分辨率的变化而变化。该研究将9.0µm和9.7µm波长设为葡萄糖峰的最佳值,并将在9.0µm和9.7µm波长处作为葡萄糖信号的平均光度与血糖水平进行比较。此外,对受试者B-E的发射光谱进行相似的归一化处理,在9.0μm和9.7μm波长处葡萄糖峰的平均发射率和血糖水平的时间趋势如图4a-4e所示。受试者A、B和C的实验结果表明,在8.2μm波长处的平均发射强度与葡萄糖变化的影响成正比。相比之下,在受试者D和E的结果中没有观察到这种趋势,这可能是受皮肤粘连、出汗、反射光等因素影响引起的。因此,研究人员对受试者D和E的研究结果中与侵入式血糖传感器测量值相关性高的参考波长进行了全面检索。受试者D和E的研究结果如图5所示。将受试者D的参考波长设置为8.57μm,受试者E的参考波长设置为8.97μm,平均发光强度与血糖浓度成正比。如图6所示,制定了每个受试者的发射率与血糖水平的标定曲线,实验结果发现二者具有较高的相关性。


图3 受试者A发射光谱随时间变化的情况


图4 基于每10分钟周期性测量的光发射情况和血糖水平的时间变化


图5 优化受试者D和E在血糖测量过程中的校正波长


图6 受试者A-E发射率与血糖水平的相互关系评估

综上所述,该研究表明,利用基于二维傅里叶光谱的中红外被动光谱成像技术可以远距离、无创地测量血糖变化。与其他方法相比,所提出的方法是完全非接触的,可以在二维范围内测量葡萄糖变化,该研究的目标是开发一个系统,从而只需生活在光谱仪的视野范围内,便可以实现对葡萄糖变化的自动监测。这一技术有望发展成为可以同时测量多人血糖变化,并能够在一个群体中识别糖尿病患者的固定设施技术。此外,它有望帮助完善相关的安全措施,如监测糖尿病患者在睡眠期间的低血糖发作。进一步的研究将通过提高测量精度和最小化个体差异的影响来实现无创葡萄糖传感器的进一步完善。展望未来,这项技术有望带来一个全新的诊断成像概念,使得除了葡萄糖变化的影响以外,所有的生命体征,都可以通过简单地隔空监测实现。

论文链接:
https://doi.org/10.1038/s41598-022-25161-x

延伸阅读:
《光谱成像市场和趋势-2022版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

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