Обзор оптических методов неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови, оценка их перспектив, сравнение с существующими аналогами

Хорошо известно, что при таком тяжелом заболевании как сахарный диабет крайне важно поддерживать уровень глюкозы в крови на оптимальном уровне. Это возможно только благодаря точному определению уровня сахара. Подобная мера в комбинации с соответствующей терапией, режимом питания, физическими нагрузками позволяет предотвратить тяжелые осложнения приводящие к инвалидности, потери зрения, ампутации конечностей и в конечном счете к смерти. В настоящее время процесс измерения глюкозы требуют забора биоматериала - несколько капель крови. Данная процедура имеет ряд недостатков. Во-первых, болезненность для пациента.   Во-вторых, возможность риска передачи инфекций, передающихся гематогенным путем (через кровь). На сегодняшний день уровень глюкозы в крови определяют с помощью забора одной или нескольких капель крови у пациента. Людям с сахарным диабетом приходится производить данную процедуру несколько раз в день, что причиняет дискомфорт и неудобство, а для некоторых людей эта процедура и вовсе является болезненной. Для успешного лечения данного хронического заболевания крайне важным является правильное и своевременное определение уровня глюкозы в крови. Ежедневный прокол пальца создает неудобства в повседневной жизни, но это необходимо из-за опасности гипогликемии и впадения в кому, а также в связи с риском возникновения осложнений при длительной гипергликемии. Более того, долговременное использование проколов пальца приводит к нарушению кровообращения, что затрудняет последующее проведение самодиагностики. Среднестатистический человек с диабетом делает менее двух тестов в день вместо рекомендуемых 4-7 раз 1. В связи с этим, неинвазивный метод имеет ряд преимуществ. На рынке представлено огромное множество инвазивных глюкометров. Американская диабетическая ассоциация 2 рекомендует более 50 3 видов глюкометров, среди которых нет ни одного прибора неинвазивной диагностики 4. Существует несколько научных исследований, описывающих решение данной проблемы при помощи спектроскопии оптической и ближней инфракрасной зон 5. Однако, во многом данные приборы не совершенны. В них нет учета нелинейных зависимостей, свойственных биологическим средам. Устройства сложны и содержат движущиеся компоненты 6, что делает их непрактичными для ежедневного использования. Подходы, используемые для создания моделей, не содержат обоснования выбора нелинейных функций, выступающих в качестве основы при построении моделей 7. Подобного рода недочеты не позволили создать неинвазивный глюкометр. Поэтому целью данной работы является разработка простого в эксплуатации неинвазивного измерителя концентрации глюкозы, основанного на последовательном многоспектральном анализе спектров поглощения основных хромофоров крови.

На данный момент глюкометры требуют использования расходного материала – одноразовых тест-полосок и забора капли крови. На рынке имеется два глюкомтера, определяющих уровень сахара неинвазивно, однако в них отсутствуют оптические методы определения концентрации глюкозы. Суть и биофизической модели основана на измерении спектра поглощения в зависимости от концентрации глюкозы, содержащейся в крови. Сутью математической модели является выявления и отделения сигнала, вызванного поглощением глюкозы, на нескольких длинах волн от сигналов, вызванных поглощением других хорошо поглощающих веществ как вода, гемоглобин, меланин с учетом калибровочных данных.

Преимущества и недостатки неинвазивных методов измерения глюкозы в крови.

Преимущества:

• •    Безболезненность процедуры диагностики

• •    Отсутствие риска передачи инфекций через кровь

• •    Отсутствие необходимости забора биоматериала

• •    Отсутствие необходимости использования расходного материала (тест-полоски)

Недостатки:

• •    Необходимость индивидуальной калибровки для каждого пациента

• •    Сложность технической реализации

• •    Сложность учета совокупности всех факторов, вносящих вклад в измерение

Составление биофизической модели взаимодействия БО с излучением

Биофизическая модель взаимодействия БО с излучением приведена на рисунке 1. Определив количество N основных веществ крови, поглощающих оптическое излучение I λ на длинах волн (λi (i=1…3): λ1=830 нм, λ2=940 нм, λ3=1030 нм), на которых наблюдаются пики кривой графика спектра поглощения глюкозы, из трех неизвестных составим уравнение 1.

Рисунок 1 – Биофизическая модель взаимодействия БО с излучением где БО-биообъект;

I ис.λi – интенсивность света, испущенного излучателем;

Iпр.λi  – интенсивность света, принятого приемником, после прохождения БО;

IGl.λi,  IGl.λi,  IH20.λi,  IМl.λi – интенсивности света, поглощенные соответственно глюкозой, водой, меланином;

d – толщина биообъекта.

I = T -I , -I -I „

ПР.λi = ИС.λi    Gl.λi    H 2O.λiMl

Учтем αGl, αH20, αBl – коэффициенты поглощения соответствующих веществ. По определению эти коэффициенты задаются соотношениями (2), (3), (4):

α    = ΙGl.λi ,(2)

Gl .λi,

Ι ИС . λ i

α    = ΙGl.λi ,(3)

Gl . λ i

Ι ИС . λ i

α    = Ι Gl.λi ,(4)

Gl .λi,

Ι ИС . λ i

Таким образом, решив вышеуказанное уравнение 1 с учетом соотношений (2), (3), (4), можно получить значения коэффициентов поглощения αGl, αH20, αBl и интенсивностей IGl.λi, IH20.λi, IBl.λi, поглощенных соответствующими веществами. Откуда в свою очередь можно найти концентрацию интересующих нас веществ, в частности глюкозы.

По закону Бугера-Ламберта-Бера

Ι _{ПР . λ i} = Ι _{ИС . λ i} ⋅ exp(- k _{λ i} ⋅ d )    (5)

где k = a ⋅CC = 1 ⋅ ln( I ПР.λi ) = 1 ⋅ln(IИС.λi -IПОГЛ.λi) = 1 ⋅ln(1-α )– показатель d     IИС.λi    d          I ИС.λi          d поглощения;

• a _λi – молекулярный коэффициент поглощения;

CC – концентрация поглощающих веществ.

Таким образом, концентрацию можно выразить соотношением:

CC = ^{k λ i} = ¹ ⋅ ln( ^{I ПР . λ i} )    (6)

• a λ i    d     I ИС . λ i

Проблема заключается в том, что в одном уравнении присутствует сразу три неизвестных, что делает задачу неразрешимой. Однако если рассматривать больного диабетом человека, то с целью упрощения задачи можно сделать допущение, что у такого человека концентрации воды и меланина в крови остаются примерно одинаковыми, а изменяется лишь уровень глюкозы, таким образом, составляющие поглощения приходящиеся на воду и меланин не будут существенным образом влиять на регистрируемую прибором динамику спектра поглощения. Для улучшения точности измерения прибегнем к калибровке прибора путем проведения параллельно двух анализов:

• –    неинвазивного с помощью разрабатываемого прибора,

• –    инвазивного для занесения в базу данных разрабатываемого прибора сведений о средней амплитуде колебаний концентраций воды и меланина.

Зондирование предполагается вести на длинах волн, на которых наблюдаются пики графика поглощения глюкозы, то есть там, где вклад глюкозы в поглощение испущенного света максимален. Для того чтобы оперировать с сигналами спектра поглощения аппроксимируем полиномами известные из исследований спектры поглощения глюкозы, воды, меланина, используя метод наименьших квадратов.

На данный момент на рынке представлены два вида неинвазивных глюкометра: прибор «GlucoTtrack», использующий три метода неинвазивной диагностики: электромагнитного, акустического, термического, и прибор «FreeStyle Libre», использующий электро-импедансный метод. Однако, ни в одном из них не используется оптический метод диагностики. Сочетание большего количества методов поможет улучшить точность измерений.

Заключение

В рамках данной статьи был описан оптический метод спектрофотометрической диагностики уровня глюкозы в крови, была приведена математическая модель, а также математические зависимости между основными физическими величинами и параметрами. Применение данных методов может быть применено для снабжения существующих приборов неинвазивной диагностики концентрации глюкозы оптическими анализаторами с целью улучшения качества и точности проводимых измерений, что является первостепенной задачей для приборов такого рода.