Двухквантовые каскадные лазеры для неинвазивного обнаружения глюкозы с помощью фотоакустической спектроскопии

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7927 (2023) Цитировать эту статью

Доступы 1991 г.

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Сочетание средней инфракрасной и фотоакустической спектроскопии показало многообещающие разработки в качестве замены инвазивной технологии обнаружения глюкозы. Двойная одноволновая квантово-каскадная лазерная система была разработана с использованием фотоакустической спектроскопии для неинвазивного мониторинга уровня глюкозы. Биомедицинские фантомы кожи со свойствами, подобными коже человека, были приготовлены с использованием компонентов крови с различными концентрациями глюкозы в качестве тестовых моделей для установки. Чувствительность системы обнаружения повышена до ± 12,5 мг/дл в диапазонах уровня глюкозы в крови при гипергликемии. Разработан ансамблевый классификатор машинного обучения для прогнозирования уровня глюкозы в присутствии компонентов крови. Модель, обученная на 72 360 необработанных наборах данных, достигла точности прогнозирования 96,7%, при этом 100% прогнозируемых данных расположены в зонах A и B анализа сетки ошибок Кларка. Эти результаты соответствуют требованиям Управления по контролю за продуктами и лекарствами США и Министерства здравоохранения Канады к мониторам глюкозы.

Исследователи изучили различные методы неинвазивного обнаружения глюкозы, включая электромагнитное зондирование1,2, импедансную спектроскопию3,4, электрохимическое зондирование5,6 и рамановскую спектроскопию7,8. Тем не менее, ни один из этих подходов не отвечал требованиям физиологической необходимости из-за их низкой точности или нестабильности работы9. Были разработаны и другие минимально инвазивные подходы; однако они требуют итеративной хирургической имплантации датчиков, что поднимает дилемму раздражения кожи10. Инфракрасная (ИК) спектроскопия, включая области MIR и NIR, разрабатывается как многообещающая альтернатива инвазивным глюкометрам11,12. Режимы NIR и MIR демонстрируют широкое и сильное поглощение отпечатков глюкозы. Более того, регион MIR имеет специфические «отпечатки пальцев» глюкозы с более узким взаимодействием с другими компонентами крови по сравнению с регионом NIR13,14.

Сочетание MIR и фотоакустической (PA) спектроскопии в последние годы показало многообещающие разработки в качестве замены технологии инвазивного мониторинга глюкозы15,16,17,18. ПА-спектроскопия использует моды колебаний молекул глюкозы в MIR-области в качестве альтернативного подхода для компенсации оптических потерь в спектроскопии пропускания и поглощения. Квантовые каскадные лазеры (ККЛ) в MIR-диапазоне имеют то преимущество, что генерируют сильные и стабильные сигналы PA. Акустические сигналы, генерируемые QCL, могут достигать интерстициальной жидкости (ISF) кожи человека, где глюкоза диффундирует в слой эпидермиса19. Эти акустические сигналы в конечном итоге собираются чувствительным микрофоном, чтобы показать прямую связь с уровнем глюкозы в крови.

Комбинация MIR и PA-спектроскопии для неинвазивного обнаружения глюкозы была впервые исследована Lilienfeld-Toal et al. в 2005 г.15. Использовались два одноволновых ККЛ: один на пике поглощения глюкозы при 1080 см\(^{-1}\) и второй в качестве эталона при 1066 см\(^{-1}\). Коэффициент корреляции (\(R^2\)) 0,61 был достигнут для измерений in vivo. В 2011 году Плейтес и др.17 использовали три ККЛ для определения концентрации глюкозы на ладони при двух пиках глюкозы (1084 и 1054 см\(^{-1}\)) и 1100 см\(^{-1}\) для фона. Использовалась двойная газовая ячейка Гельмгольца, а коэффициент корреляции был увеличен до 0,7. Измерения in vitro были проведены Коттманном и др.16 с использованием широко перестраиваемого внешнего резонатора (EC) QCL. Предел обнаружения глюкозы ± 100 мг/дл был получен с коэффициентом корреляции 0,998.

В 2013 году Коттманн и др.20 использовали оптическое волокно на основе галогенида серебра для передачи света, чтобы улучшить чувствительность обнаружения до ± 57 мг/дл с \(R^2\) = 0,993 в водном растворе глюкозы. Три года спустя та же исследовательская группа применила метод двух длин волн на длинах волн 1080 и 1180 см\(^{-1}\) для измерений in vivo19. Предел прогнозирования был повышен до ± 30 мг/дл для уровня глюкозы от 90 до 170 мг/дл при уровне достоверности 90%. Недавно чувствительность обнаружения была повышена до ± 25 мг/дл с использованием одноволнового ККЛ при 1080 см\(^{-1}\) в фантомах искусственной кожи с использованием машинного обучения18,21. Тем не менее, согласно данным Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) и Министерства здравоохранения Канады, для клинически одобренных глюкометров чувствительность обнаружения должна составлять ± 15 мг/дл22,23. В таблице 1 суммированы последние достижения в области PA и MIR-спектроскопии для обнаружения глюкозы.