Состояние развития неинвазивных методов определения концентрации глюкозы в крови на основе спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона

Аннотация

Обсуждаются возможности разработки неинвазивных глюкометров для непрерывного мониторинга содержания сахара в крови на основе методов спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона.

Как известно, сахарный диабет (СД) занимает третье место в мире после сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) более 180 миллионов человек во всем мире больны диабетом. К 2030 г. эта цифра вероятно более чем удвоится. Представляет особую опасность одно из наиболее грозных осложнений диабета — синдром диабетической стопы. Исследования показали, что при СД язвенные осложнения стоп появляются у 6−10% пациентов, а ампутация ног в данной группе больных производится до 45 раз чаще, чем у остального населения.

В этой связи представляют особое значение методы своевременного контроля содержания сахара в крови. Залогом успешного проведения как профилактических мер, так и противодиабетической терапии является контроль их эффективности. Для этого необходимо надежно и с приемлемой точностью определять уровень сахара в крови.

В настоящее время получили широкое распространение глюкометры, работающие по принципу «сухой химии». Они содержат тест-полоски, меняющие свой цвет при нанесении на них капли крови. И хотя способы получения капли крови практически безболезненны, данные устройства по своей сути являются инвазивными, или травматичными.

Вместе с тем представляют значительный интерес неинвазивные устройства непрямого (косвенного, т. е. без прокалывания кожи и без взятия пробы крови) определения уровня сахара в крови [1]. Наиболее перспективным методом, как это отмечено на 61-ой ежегодной научной сессии Американской Диабетической Ассоциации, является спектральный, основанный на достижениях спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне [2].

Например, важным показателем, характеризующим степень компенсации сахарного диабета, является содержание в крови одной из разновидностей гемоглобина _ гликозилированного гемоглобина HbA1c, образующегося при взаимодействии его с глюкозой. Процесс гликозилирования идет тем активнее, чем выше уровень глюкозы в крови. В норме содержание HbA1c в крови составляет 5−9% от общего уровня гемоглобина, а при декомпенсации сахарного диабета достигает 20%. Однако содержание HbA1c является интегральным по времени показателем, позволяющим оценить эффективность инсулинотерапии на протяжении предшествующих 6−8 недель. Этот срок соответствует периоду жизни эритроцитов (30 ч 120 суток, в среднем 60 дней для большей части эритроцитов), в течение которого происходит взаимодействие гемоглобина и глюкозы. Поэтому для мониторинга содержания сахара в крови в режиме «реального времени» и подбора дозы инсулина данный показатель не годится. неинвазивный глюкометр мониторинг сахар Оптические методы неинвазивной диагностики предполагают использование оптического (в том числе лазерного) излучения для зондирования тканей и органов пациента с целью получения по отраженному (рассеянному) или прошедшему ткань насквозь свету диагностической информации о биохимическом составе и морфологическом строении обследуемого участка мягких тканей тела пациента. Величина регистрируемого при этом сигнала зависит как от коэффициента поглощения, так и от коэффициента рассеяния света перфузированной кровью ткани. Основной вклад в поглощение определяется водой (Н₂О), протеином, липидами, различными формами гемоглобина (в частности, окси-, дезокси-гемоглобином), меланином в коже, в том числе глюкозой (рис. 1) [3].

С другой стороны, экспериментально установлено, что основное влияние сахара на кровь проявляется в изменении коэффициента рассеяния света. Оказывается, что рассеивающие свойства тканей зависят от разности коэффициентов преломления центров рассеяния (клеточных структур) и межклеточной жидкости (цитозоля) [4−5]. В частности, увеличение концентрации глюкозы в межклеточной жидкости индуцирует уменьшение разности упомянутых показателей преломления и, вместе с тем, снижение коэффициента рассеяния [4]. На рис. 2 показана динамика концентрации глюкозы в крови и изменение во времени приведенного коэффициента рассеяния, измеренные на бедренной мышце здорового 26-летнего мужчины в ходе теста на толерантность к глюкозе [4].

Рис. 2. Сравнение во времени динамики концентрации глюкозы в крови и коэффициента рассеяния при проведении теста на толерантность к глюкозе (данные работы [4])

Более того, существует еще ряд дополнительных факторов, влияющих на значение коэффициента рассеяния и тем самым конкурирующих с эффектом влияния глюкозы — таких, как изменение температуры, значение рН, наличие других осмотически активных веществ.

Из приведенного рис. 2 видно, что метод измерений весьма чувствителен к относительным изменениям оптических свойств биотканей. Однако на практике необходимо знание абсолютных значений концентрации сахара в крови. Для этой цели используют различные калибровочные модели. Поскольку существует множество факторов, влияющих на результаты измерений, то по своей сути данные модели являются статистическими. При этом разные авторы приводят различные значения для средней квадратичной погрешности измерений (от 14,4 мг/дл до 54 мг/дл [6]), что подчас сводит достоверность получаемой информации практически на «нет».

Например, в одной из последних работ японских авторов учитывалось 6 независимых факторов, влияющих на спектральные характеристики рассеянного светового излучения [7]. В результате возникала необходимость измерений 2⁶ = 64 спектров, которые определялись комбинацией максимальных и минимальных значений параметров в некотором допустимом интервале. Пример таких спектров приведен на рис. 3.

В дальнейшем на основе спектров рассеянного излучения с использованием методов регрессионного анализа строилась калибровочная модель для определения абсолютной концентрации глюкозы в крови.

Рис. 3. Спектры поглощения инфракрасного излучения кожной тканью пациентов палаты интенсивной терапии, используемые для построения калибровочной модели (данные работы [7])

На рис. 4 показана зависимость содержания сахара в крови, полученная с помощью калибровочной модели как функция значений, выбранных в качестве эталонных (полученных другим методом).

Рис. 4. Корреляции между эталонными и предсказанными значениями уровней глюкозы в крови, полученными в результате измерений на первом этапе (данные работы [7])

Необходимо отметить, что клинические исследования in vivo в работе [7] проводились в два этапа. На первом этапе экспериментально определялись данные, относящиеся только к здоровой категории пациентов, на втором — к пациентам палаты интенсивной терапии.

В первом случае из всех результатов измерений 71,5% попали в зону А, а 28,5% _ в зону В. Во втором случае 80,3% всех результатов попали в зону А, а 19,7% _ в зону В.

Авторы работы [7] приводят в качестве характерной среднеквадратичной ошибки результатов одиночных измерений значение 28,7 мг/дл или ~1,6 ммоль/л. Значительный разброс абсолютных величин концентраций глюкозы в крови свидетельствует о том, что наряду с учтенными параметрами имеется и ряд неучтенных, также дающих вклад в спектральные характеристики измеряемых сигналов, соизмеримый с вкладом от глюкозы.

Несколько лучшие результаты были получены группой израильских исследователей из фирмы OrSense Ltd. (Nes Ziona), медицинского центра (Sheba Medical Center, Ramat-Gan) и университета Тель-Авива (Tel-Aviv University) [8]. При проведении испытаний неинвазивного глюкометра NB-100, созданного фирмой OrSense Ltd., была достигнута относительная погрешность измерений ~17,1% и в дальнейших исследованиях даже порядка 10% [9]. Авторы работ [8−9] считают, что данные результаты являются следствием разработанной фирмой OrSense Ltd. более усовершенствованной технологии проведения измерений, основанной на использовании в глюкометре NB-100 окклюзионной спектроскопии инфракрасного диапазона.

Таким образом, неинвазивные глюкометры, основанные на применении методов инфракрасной спектроскопии, демонстрируют неплохие возможности относительного непрерывного мониторинга содержания глюкозы в крови, представляющие интерес для средств интенсивной терапии. Что касается проведения абсолютных измерений, то достигнутые на сегодняшний день погрешности все еще остаются значительными и в целом предложенный метод нуждается в дальнейшей проработке, не исключено даже, фундаментального характера.

• 1. Аппаратные возможности технологии саморегуляции сахарного диабета _ Сайт «Диабет-центра» (Нижний Новгород): http://www.diabet.nnov.ru/.
• 2. Петерсен Ч. М. Создание неинвазивного (атравматичного) датчика исследования сахара крови — состояние проблемы: http://www.diabet.ru/news/.
• 3. New Methodology to Obtain a Calibration Model for Noninvasive Near-Infrared Blood Glucose Monitoring / K. Maruo, T. Oota, M. Tsurugi et al. // Applied Spectroscopy, 2006, 60(4).
• 4. Possible correlation between blood glucose concentration and the reduced scattering coefficient of tissues in the near infrared / J. Maier, S. Walker, S. Fantini et al. // Optics Letters, 1994, 19(24).
• 5. Correlation between blood concentration in diabetics and noninvasively measured tissue optical scattering coefficient / T. Bruulsema, J. Hayward, T. Farrell et al. // Optics Letters, 1997, 22(3).
• 6. Chance correlation in non-invasive glucose measurement using near-infrared spectroscopy / R. Liu, W. Chen, X. Gu et al. // Journal of Physics D: Applied Physics, 2005, 38.
• 7. Noninvasive Near-Infrared Blood Glucose Monitoring Using a Calibration Model Built by a Numerical Simulation Method: Trial Application to Patients in an Intensive Care Unit / K. Maruo, T. Oota, M. Tsurugi et al. // Appl. Spectroscopy, 2006, 60(12).
• 8. Accurate Home and Clinical Use of a Non-Invasive Continuous Glucose Monitor / O. Amir, O. Cohen, D. Dvir et al. (http://www.orsense.com).
• 9. Non-Invasive Blood Glucose Monitoring in the Critically III Patient / D. Dvir, S. Erlich, J. Singer et al. (http://www.orsense.com).

Приложение

Основные единицы измерения уровня (концентрации) сахара в крови

Глюкоза является одним из трех простейших моносахаридов (наряду с фруктозой и галактозой), имеющих один и тот же молекулярный состав, но отличающихся структурой (см. рисунок).

Таким образом, химическая формула молекулы имеет вид: С₆Н₁₂О₆. Поскольку молярные массы отдельных компонент равны:

М_С = 12.011 г/моль; М_Н = 1.008 г/моль; М_О = 15.9994 г/моль, то для молярной массы глюкозы получим:

М_G = 6Ч12.011 + 12Ч1/008 + 6Ч15/9994 = 180,16 г? 180 г.

В Международной Системе Единиц (СИ) для описания концентрации используется единица ммоль/л (миллимоль на литр). Однако в научных публикациях чаще всего можно встретить мг/дл (миллиграмм на децилитр). Так как масса одного моля глюкозы равна приблизительно 180 г, то:

1 ммоль/л = 180 мг/10 дл = 18 мг/дл или 1 мг/дл = 0.056 ммоль/л.