利用基于二維傅里葉光譜的中紅外被動(dòng)光譜成像技術(shù)測(cè)量血糖變化

中紅外光譜法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)，但目前還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出基于該方法的實(shí)用設(shè)備。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，日本香川大學(xué)（Kagawa University）的研究人員提出了一種利用中紅外被動(dòng)光譜成像實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離葡萄糖測(cè)量的方法。該方法利用人體熱輻射的光譜成像在世界上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖誘導(dǎo)發(fā)光的遠(yuǎn)距離檢測(cè)。

此外，在60分鐘時(shí)間內(nèi)，每隔一定時(shí)間于手腕處采集的葡萄糖發(fā)射光譜顯示，葡萄糖發(fā)射的光譜強(qiáng)度與侵入式傳感器測(cè)量的血糖水平之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。因此，該研究提出的新技術(shù)有望應(yīng)用于糖尿病患者的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以檢測(cè)睡眠期間的低血糖發(fā)作，并實(shí)現(xiàn)人群中高血糖癥狀的診斷。

此外，該項(xiàng)技術(shù)可能為進(jìn)一步的創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)，從而使遠(yuǎn)距離測(cè)量各種物質(zhì)成為可能。相關(guān)研究成果以“Glucose emission spectra through mid-infrared passive spectroscopic imaging of the wrist for non-invasive glucose sensing”為題，發(fā)表于Scientific Reports期刊。

圖1a顯示的為用于皮膚測(cè)量的、基于中紅外被動(dòng)光譜成像的光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)光譜儀和一個(gè)可互換透鏡組成，采用無(wú)限共軛比設(shè)計(jì)。由于處于熱波段，中紅外光被認(rèn)為會(huì)受到儀器內(nèi)部同步熱輻射的影響。因此，在測(cè)量過(guò)程中使用加熱器將光譜儀穩(wěn)定在1°C以內(nèi)。

圖1 以受試者A的手腕和手背為測(cè)量點(diǎn)的中紅外被動(dòng)光譜成像光學(xué)系統(tǒng)

首先，該研究驗(yàn)證了所提方法能否獲得皮膚表面的發(fā)射光譜。1名成年男性受試者參與了該研究。接下來(lái)，研究驗(yàn)證了所提出的葡萄糖定量檢測(cè)方法。在該實(shí)驗(yàn)中，在從0分鐘（測(cè)量開(kāi)始）到60分鐘（測(cè)量結(jié)束）的時(shí)間段內(nèi)，每隔10分鐘，分別使用該研究所提出的方法以及商用侵入式血糖傳感器（GLUCOCARD PlusCare，Arkray公司，日本京都）對(duì)5名受試者的手腕進(jìn)行一次測(cè)量。

隨后，對(duì)采用該研究所提出的方法獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成偽彩色圖。受試者A接受測(cè)量時(shí)的血糖水平為84mg/dL。用中紅外光譜中常用的傅立葉變換紅外分光光度計(jì)（FTIR）測(cè)量葡萄糖水溶液的吸收光譜，如圖2c、2d中的黑色虛線所示。

從圖中可以看出，分光光度計(jì)測(cè)量波段內(nèi)葡萄糖發(fā)射率的代表性峰值在9.25μm和9.65μm波長(zhǎng)處。因此，在9.65μm波長(zhǎng)處的發(fā)射率被指定為葡萄糖發(fā)射率（圖2a、2b），在手腕中心和手背周圍的帶狀區(qū)域可以觀察到高葡萄糖發(fā)射率。圖2c、2d紅色實(shí)線部分顯示了在偽彩色圖中選取的高發(fā)射率坐標(biāo)（方形標(biāo)記位置）處的平均發(fā)射光譜情況。

將這兩個(gè)光譜與葡萄糖溶液的FTIR光譜進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在9.25μm和9.65μm的波長(zhǎng)處有葡萄糖對(duì)應(yīng)的發(fā)射峰。這一結(jié)果表明，所提出的方法可以用來(lái)測(cè)量葡萄糖濃度變化。

圖2 以受試者A的手腕和手背為測(cè)量點(diǎn)的中紅外被動(dòng)光譜成像結(jié)果

圖3a為受試者A在各時(shí)間間隔點(diǎn)的發(fā)射光譜。如圖所示，該研究成功地在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的光譜中檢測(cè)到葡萄糖發(fā)射峰。然而，由于測(cè)量過(guò)程中皮膚表面溫度的降低，發(fā)射光譜的基線隨著時(shí)間的增加而上移。因此，如圖3b所示，將所有光譜歸一化。

此外，因?yàn)?.2μm波長(zhǎng)處的峰值為葡萄糖依賴性較低的峰值，因此指定其為發(fā)射水平為0的峰值。受傅里葉光譜學(xué)測(cè)量原理的影響，峰波長(zhǎng)會(huì)隨著儀器分辨率的變化而變化。該研究將9.0μm和9.7μm波長(zhǎng)設(shè)為葡萄糖峰的最佳值，并將在9.0μm和9.7μm波長(zhǎng)處作為葡萄糖信號(hào)的平均光度與血糖水平進(jìn)行比較。

此外，對(duì)受試者B-E的發(fā)射光譜進(jìn)行相似的歸一化處理，在9.0μm和9.7μm波長(zhǎng)處葡萄糖峰的平均發(fā)射率和血糖水平的時(shí)間趨勢(shì)如圖4a-4e所示。受試者A、B和C的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在8.2μm波長(zhǎng)處的平均發(fā)射強(qiáng)度與葡萄糖變化的影響成正比。

相比之下，在受試者D和E的結(jié)果中沒(méi)有觀察到這種趨勢(shì)，這可能是受皮膚粘連、出汗、反射光等因素影響引起的。因此，研究人員對(duì)受試者D和E的研究結(jié)果中與侵入式血糖傳感器測(cè)量值相關(guān)性高的參考波長(zhǎng)進(jìn)行了全面檢索。受試者D和E的研究結(jié)果如圖5所示。將受試者D的參考波長(zhǎng)設(shè)置為8.57μm，受試者E的參考波長(zhǎng)設(shè)置為8.97μm，平均發(fā)光強(qiáng)度與血糖濃度成正比。如圖6所示，制定了每個(gè)受試者的發(fā)射率與血糖水平的標(biāo)定曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者具有較高的相關(guān)性。

圖3 受試者A發(fā)射光譜隨時(shí)間變化的情況

圖4 基于每10分鐘周期性測(cè)量的光發(fā)射情況和血糖水平的時(shí)間變化

圖5 優(yōu)化受試者D和E在血糖測(cè)量過(guò)程中的校正波長(zhǎng)

圖6 受試者A-E發(fā)射率與血糖水平的相互關(guān)系評(píng)估

綜上所述，該研究表明，利用基于二維傅里葉光譜的中紅外被動(dòng)光譜成像技術(shù)可以遠(yuǎn)距離、無(wú)創(chuàng)地測(cè)量血糖變化。與其他方法相比，所提出的方法是完全非接觸的，可以在二維范圍內(nèi)測(cè)量葡萄糖變化，該研究的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)系統(tǒng)，從而只需生活在光譜儀的視野范圍內(nèi)，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖變化的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

這一技術(shù)有望發(fā)展成為可以同時(shí)測(cè)量多人血糖變化，并能夠在一個(gè)群體中識(shí)別糖尿病患者的固定設(shè)施技術(shù)。此外，它有望幫助完善相關(guān)的安全措施，如監(jiān)測(cè)糖尿病患者在睡眠期間的低血糖發(fā)作。進(jìn)一步的研究將通過(guò)提高測(cè)量精度和最小化個(gè)體差異的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)葡萄糖傳感器的進(jìn)一步完善。

展望未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)有望帶來(lái)一個(gè)全新的診斷成像概念，使得除了葡萄糖變化的影響以外，所有的生命體征，都可以通過(guò)簡(jiǎn)單地隔空監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)。

論文鏈接：

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

審核編輯：劉清