مقدمه: یک دوره جدید در مدیریت دیابت

برای میلیون ها نفر که مبتلا به دیابت هستند، نظارت روزانه گلوکز خون یک روال اجتناب ناپذیر است. تست سنتی ناخنک انگشتان نشان می دهد قابل اعتماد است، اما با درد، ناراحتی و خطر دائمی ابتلا به دیابت همراه دارد، محققان و شرکت های دستگاه پزشکی یک داروی ضد گلوکز مقدس را دنبال می کنند: یک سیستم غیر تهاجمی که قند خون را بدون شکستن پوست، در میان امیدوار کننده ترین روش های درمانی، یک تکنیک جامع برای تجزیه و تحلیل طیف مولکولی در این آزمایش های فعلی علوم غیر بالینی، اندازه گیری می کند.

Raman Spectroscopy چیست؟

طیفوسکوپی Raman یک روش تحلیلی است که حالت های ارتعاشی مولکول ها را با نور تک رنگی درخشان (معمولا یک لیزر) بر روی یک نمونه و اندازه گیری نور پراکنده بررسی می کند، هنگامی که فوتون ها با پیوندهای شیمیایی تعامل می کنند، بخش کوچکی از آنها تحت پراکندگی بی نظیر قرار می گیرند - اثر Raman - جایی که نور پراکنده در طول موج تغییر می کند.

چگونه در بافت های بیولوژیکی کار می کند

هنگامی که به پوست یا بافت انسان اعمال می شود، یک لیزر نزدیک مادون قرمز چند میلی متر به داخل درم نفوذ می کند، نور پراکنده شده اطلاعات مربوط به ترکیب مولکولی سلول ها، مایع بین رشته ای و خون را بدون نمونه برداری از همان نوارهای آسیب دیده، به ویژه حدود 1065 سانتی متر -1 و 1125 سانتی متر -1، به ترکیب مولکولی مربوط به C-O و لرزش پیشرفته، کل سیگنال های نقطه و گیرنده های سیگنال های سیگنال را استخراج می کند.

مزایای کلیدی در سایر روش های Spectroscopy

در مقایسه با جذب نزدیک مادون قرمز (NIR) یا طیفوسکوپی مادون مادون مادون مادون مادون قرمز، Raman ارائه می دهد تیز تر، بیشتر نقاط طیف متمایز، کاهش خطر همپوشانی از مواد مداخله، همچنین دخالت آب بسیار بهتر از تکنیک های طیف مادون قرمز، و آن را به طور طبیعی برای محیط های بیولوژیکی یکپارچه مناسب است، بر خلاف روش های مبتنی بر فلورنس، Raman نیاز به برچسب های سابق یا به طور همزمان بدون آن ندارد - یکی دیگر از مزایای آن است.

استفاده از Raman Spectroscopy به نظارت بر گلوکز خون

ایده اصلی ساده است: یک دستگاه غیر تهاجمی علیه پوست قرار دهید، یک پرتو لیزر کم قدرت را به بافت متصل کنید، نور پراکنده رامن جمع آوری کنید و از یک مدل کالیبراسیون برای تبدیل داده های طیفی به یک خواندن غلظت گلوکز استفاده کنید. کل اندازه گیری ثانیه طول می کشد و بیمار چیزی فراتر از گرما خفیف از لیزر احساس نمی کند.

فرآیند اندازه گیری در تمرین

دستگاه های نمونه معمولا از یک واحد دستی یا جدولی حاوی یک لیزر تثبیت شده (اغلب ۷۸ نانومتر یا ۸۳۰ نانومتر)، طیف سنج، یک آشکارساز CCD یا CMOS و یک کامپیوتر برای پردازش سیگنال استفاده می کنند، نوک پروب به طور قابل توجهی در برابر طیف طیف طیف سنج، یا گوش – به عنوان تراکم بالا، یک ثانیه از برش فشرده شده است که یک مدل انتقال دهنده نور را جمع آوری می کند (پس از آن نیاز به مقدار زیادی دارد).

اطلاعات عملکرد واقعی-World Performance Data

مطالعات بالینی اولیه نشان داده اند که همبستگی امیدوار کننده بین گلوکز و مقادیر مرجع Raman-predicted گلوکز در 2014 نشان داده است که مطالعه برجسته ای توسط Shao et al. به معنای تفاوت نسبی مطلق (MARD) حدود 15-20٪ با استفاده از طیف سنجی Raman در نوک انگشتان انسان، با شبکه خطای کلارک که نشان می دهد 90٪ از خواندن در مناطق بالینی قابل قبول A+B. محققان کار اخیر از مطالعه و دقیق شبکه ای از A.

مزایای تست سنتی

  • عمل بدون درد: هیچ گونه بی تفاوتی، هیچ خون، هیچ پوست شکسته - برای بیماران مبتلا به فوبیا سوزن یا موارد آزمایش مکرر.
  • هیچ نوار تست، lancets، یا کیت های وارد کننده سنسور برای خرید و دفع، کاهش هزینه های طولانی مدت و زباله های زیست محیطی.
  • استریل کردن خطر ابتلا به عفونت: زخم باز از سوزن، علت اصلی عفونت های پوستی دیابتی است؛ آزمایش غیر تهاجمی این خطر را به طور کامل از بین می برد.
  • ] [Potential for نظارت مستمر: از آنجا که Raman سریع و تکرار پذیر است، دستگاه های آینده می توانند هر چند ثانیه بدون دخالت کاربر خواندن را انجام دهند و ردیابی مداوم را فراهم کنند.
  • ] قابلیت چند منظوره: همان طیف می تواند به طور بالقوه اطلاعات مربوط به lactate، urea، کتون ها و دیگر نشانگرهای زیستی را ارائه دهد، درب را برای نظارت جامع متابولیک باز کند.
  • بدون سنسور حرکت می کند یا بی تحرک: بر خلاف CGMs کاشته شده که دقت در طول هفته به دلیل واکنش های بافت از دست می دهد، سنسور نوری تا زمانی که اپتیک تمیز باشد، پایدار باقی می ماند.

چالش های فعلی هیندینگ گسترده اتخاذ

علی رغم مزایای روشن، نظارت بر گلوکز مبتنی بر رامن تا حد زیادی تجربی باقی مانده است. چندین موانع فنی و عملی قوی باید قبل از رسیدن به بازار انبوه غلبه شود.

قابلیت سیگنال Interference و Variability

چالش شماره یک سیگنال پس زمینه ای پر از آب، کلاژن، ملانین، هموگلوبین و مولکول های دیگر تولید قوی Raman و fluorescence سیگنال که کوتوله اوج گلوکز طولانی است، تغییرات فردی در ضخامت پوست، هیدراتاسیون وابسته، دما، رنگدانه، و حتی فشار پروب در برابر پوست می تواند به طور قابل توجهی تغییر کند.

کالیبراسیون و مدل های شخصی

اکثر مطالعات موفق گلوکز Raman بر کالیبراسیون خاص موضوع متکی است: این دستگاه بر صدها نمونه از یک فرد در طول چند ساعت یا روزها آموزش داده می شود.ایجاد کالیبراسیون جهانی که در تمام انواع حریم خصوصی پوست کار می کند، سن و متابولیک ایالات متحده یک مشکل حل نشده است بدون آن، بیماران نیاز به یک روش کالیبراسیون اولیه دارند - به طور بالقوه شامل چندین ارجاع انگشت است که به طور مداوم محققان آموزش می دهند که به طور مداوم برخی از روش های تعمیر و پردازش داده های محدود هستند.

مینیاتورسازی و الزامات قدرت

طیف سنج های با کیفیت بالا، ابزارهای بزرگ و حساس هستند که نیاز به منابع لیزر پایدار، آشکارسازهای خنک و اپتیک دقیق دارند. آنها را به یک فرم پوشیدنی، باتری قدرتمند بدون قربانی کردن قطعات سیگنال به اندازه کافی ضعیف است، و نمونه های فعلی هم سیستم های نیمکت یا واحدهای دستی بزرگ هستند.پیشرفت در مدارهای عکسی یکپارچه و میکرو کامپوزیت های کوچک، ممکن است به طور کامل به عنوان یک سنسور های صوتی کوچک، به عنوان یک روش های ارتباطی با هدف قرار دادن چند سال است.

تلاش های مداوم تحقیق و توسعه

گروه های دانشگاهی متعدد، استارتاپ ها و شرکت های دستگاه پزشکی تاسیس به طور فعال بر روی مانیتورهای گلوکز غیر تهاجمی مبتنی بر رامن کار می کنند. رویکردهای آنها به طور گسترده ای در طراحی و استراتژی متفاوت است.

گروه های تحقیقاتی کلیدی و مشارکت آنها

در دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، آزمایشگاه دکتر RLT 1، وان Duyne پیشگام گسترش سطح بالا Raman (SERS)، که از سطوح فلزی گسترده نانو ساختار یافته برای تقویت سیگنال گلوکز توسط عوامل از قابلیت پردازش پوست 10، به جای استفاده از مشکل سیگنال های کوچک، استفاده می کند، اما نیاز به کاشت یا تزریق مواد ایمنی و نظارت دقیق تر دارد.

راه اندازی و دستگاه های Prototype

چندین استارت آپ به طور یقین با مانیتورهای گلوکز غیر تهاجمی نیز ظهور کرده اند.[۱] سیستم های RLT در دانمارک یک دستگاه دسکتاپی را ایجاد کرده اند که نتایج امیدوار کننده ای را در یک کارآزمایی بالینی ۲۰۲۲ با ۲۰۰ بیمار دیابتی نشان داده است، که ۹۵ درصد از خواندن در مناطق شبکه خطای کلارک رادیک را مشاهده می کند؛ این شرکت در حال حاضر بر روی یک نسخه دستی که انتظار می رود وارد کارآزمایی های نظارتی در شرکت دیگر شرکت شوند، هولواکس، که ۹۵ درصد از دانشمندان علوم صوتی رادی استفاده می کنند، که به طور بالقوه با استفاده از تکنیک های هوشمندی را اسکن شده اند.

مسیر های آینده: ما پوشیدنی، AI و ادغام

چشم انداز نهایی یک سنسور مبتنی بر Raman است که به یک مچ بند، ساعت هوشمند یا حتی یک حلقه متصل می شود و داده های گلوکز مداوم را بدون هیچ تلاش کاربر ارائه می دهد.

مینیاتوراسیون اپتیک و آشکارساز

سیستم های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) اسکن آینه ها و طیف سنج های مبتنی بر تراشه (spectrometers بر روی یک تراشه) به سرعت در حال پیشرفت هستند. شرکت هایی مانند DLP ( پردازش نور دیجیتال) در حال توسعه فیلترهای طیف قابل برنامه ریزی هستند که می توانند جایگزین سیستم طیف گسترده ای از سیم پیچ و تاب های بتای بعدی شوند.یک سیستم عکس 1 سانتی متر یا کمتر ممکن است در عرض پنج سال امکان پذیر شدن این سنسور را فراهم کند که به طور قابل استفاده از یک عامل های کم از اسکنرهای کم استفاده از دستگاه های حسگر های حسگری کوچک و همچنین به طور بالقوه از اسکنرهای تراشه را کاهش دهد.

یادگیری ماشین برای کالیبراسیون قوی

مدل های یادگیری عمیق، به ویژه شبکه های عصبی هم پیوسته (CNNs) و ترانسفورماتورها، توانایی بسیار بیشتری نسبت به روش های رگرسیون سنتی در استخراج سیگنال های گلوکز ضعیف از زمینه های پیچیده و متغیر دارند.این مدل های حفظ حریم خصوصی می توانند یاد بگیرند تا تفاوت های پوستی فردی، اشیاء متحرک و نوسانات دما را نادیده بگیرند، هنگامی که در یک مجموعه داده های بزرگ و متنوع آموزش دیده می شوند، آنها ممکن است به کالیبراسیون جهانی دست یابند - مطالعه ای که به افراد دقیق کاربر نزدیک می دهد، در حالی که در آن ها از هر مدل های خاص، به بررسی دقیق جعبه داده های خاص، به طور خاص، نشان می دهد، نمونه های M2٪ از داده های خاص، نمونه های M.

ادغام با سیستم های Pancreas مصنوعی

یک CGM واقعا غیر تهاجمی که به طور مستقیم با یک پمپ انسولین ارتباط برقرار می کند (یک پانکراس مصنوعی کاملا بسته را فعال می کند.سیستم های فعلی نیاز به وارد شدن سنسور مکرر و کالیبراسیون دارند، محدود کردن استفاده از سنسور مبتنی بر Raman که هرگز نیاز به جایگزینی ندارد، هرگز باعث واکنش های طیف گسترده ای از پوست نمی شود و خواندن فوری می تواند فن آوری پانکراس مصنوعی را به طور چشمگیری قابل دسترس تر کند.

مسیر تنظیم مقررات و اعتبار بالینی

قبل از تجاری سازی، مانیتورهای گلوکز Raman باید دقت قابل مقایسه با CGM های تهاجمی FDA (MARD < 10٪) در کارآزمایی های بالینی بزرگ و چند منظوره را نشان دهند. FDA هنوز راهنمایی خاصی را برای نظارت بر گلوکز غیر تهاجمی صادر نکرده است، اما شرکت ها به طور فعال با تنظیم کننده ها درگیر می شوند. اولین محصولات احتمالا 510 (k) به عنوان دستگاه های کلاس II، نیاز به یک مشکل پزشکی ضعیف دارند.

نتیجه گیری

طیفوسکوپی Raman در مرز آزمایش گلوکز خون غیر تهاجمی قرار دارد، ارائه ترکیبی منحصر به فرد از ویژگی مولکولی، عملیات بدون برچسب، و سازگاری با بافت های بیولوژیکی است که چالش های فعلی - سیگنال های ضعیف، تنوع پوست و مینیاتوری - پیشرفت های سریع و سریع در فوتونیک، هوش مصنوعی، و علوم به طور پیوسته بسته شدن شکاف آزمایشگاهی بین مدیریت دقیق و کنترل دقیق آن را فراهم می کند، و ادامه دادن به سرعت تغییر می کند.