はじめに:痛みのないグルコースの監視の必要性

糖尿病は世界中で530万人を超える成人に影響を及ぼし、数が増え続けています。 ほとんどの場合、毎日のグルコースモニタリングは、インシュリン線量、食物摂取量、および身体活動を管理するための不可欠です。 伝統的な指圧試験、信頼性が高く、痛みを伴う、不便性、および不便な付着の頻繁な原因である一方で、研究報告では、糖尿病の患者の40%が不快な検査を促すことが必須です。 不耐糖性グルコースセンサーの検索では、通常はCTF(CT)を破壊し、検査が行われることがあります。

光学コヒーレンス・トモグラフィーの理解

光学凝集性トモグラフィーは、低凝集性干渉法を使用して、軸分解による断面積の断面積の画像を1〜10マイクロメートルにまで生成します。ブロードバンド光源は、通常、過光ダイオードまたは1300nm近くで動作する掃引源レーザーは、参照アームとサンプルアームの2つのアームに分割されます。光は、参照ビームとサンプルの逆流から戻り、干渉パターンは情報深度を符号化します。早期に、反射面は、ミラーの深さ、および反射面の深さを向上します。

波長の選択は重要です。1300nmの周りの近赤色光は、良好なバランスを提供します。吸水性は、皮膚に2〜3 mmを貫通するのに十分低く、散乱係数は、測定可能な変化をもたらすのに十分高いです。 短い波長(例えば、800 nm)は、より深く浸透し、メラニンにより敏感であり、波長(例えば、1550 nm)は、より強い吸水に苦しむ。 OCTの能力は、一般的に、その深さを増量する能力を増大します。

OCTがグルコースを検知する方法:センサーの背後にある物理

OCT シグナルを血液グルコースレベルに結びつけるメカニズムは、断層流体の屈折率の変化にかかっています。グルコース分子は小さく、非常に偏光性があります。その濃度が上昇すると、細胞液の屈折率が増加します。これにより、細胞膜、コラーゲン繊維、周囲の流体の屈折率が低下し、それによって散乱係数が低下します。皮膚には、この濃度は、コラーゲンが変化するにつれて、コラーゲンが変化するにつれて、OCT が変化するにつれて、この変化が変化します。

主光学変数

  • []散乱係数(μs):[[ グルコースの約0.5〜2%、組織タイプと水和に応じて増加する。 減少は、屈折率マッチングから続くと、組織コンポーネントと間接流体間のインタフェースで最も有意である。
  • アニソトロピー因子(g):[) ミツエ散乱理論は、グルコース濃度上昇として角の散乱でわずかな前方シフトを予測し、検出された信号をさらに変更します。
  • 吸着係数(μa):[1300nmで、水と脂質は吸収をdominate、しかしブドウ糖自体は無視して貢献します。 OCT信号の変更は、したがって、吸収駆動されない、散乱駆動です。

ほとんどの OCT グルコース センサーは、測定値の ] のメトリックを抽出します。 減衰係数] または、 測定値の OCT 強度プロファイルの勾配。 斜面は、強面反射を避け、深さのウィンドウ上に計算されます(通常、皮膚表面の下 50-100 μm から)、約 500 μm に拡張されます。 初期実装では、単純な線形回帰を使用していましたが、最近の作業は、非線形モデルまたは、または、このような血液因子の発生因子を研究するために、このような要因を研究するために、または研究を研究する。

典型的な買収プロトコルは、複数のBスキャンを小さな領域(例、2 mm×1 mm)に収集し、それらを活用して、斑点の騒音を削減します。 シグナルツーノイズ比は、関心領域内のいくつかのAスキャンを平均化することにより、さらに改善されます。 現代の掃引ソースレーザーは50〜200 kHzでスワイプすると、フル測定は1秒未満で完了し、ほぼリアルタイムのグルコース推定を有効にすることができます。

他非侵襲的なグルコースのセンシング技術との比較

OCTの強みを高く評価するためには、過去2年を越えた非侵襲的なアプローチと比べることが有用です。

  • [] 赤外線(NIR) 分光:[ 波長による吸収を測定します。 NIR分光は、水、皮膚色素沈着、温度によって非特異的かつ重大の影響を受けます。 臨床試験の精度は、平均絶対相対差(MARD)で、20%を超えることがあります。 対照的に、OCTは、発汗層および発汗層から分離層への分離の深さの解像度を活用します。
  • ラマン分光法:]は、分子指紋情報を提供して、長い取得時間(秒〜分)を必要とし、小さなラマン断面積による弱信号対ノイズ比に苦しむ。 OCTはミリ秒単位で動作し、リアルタイム監視が可能である。
  • 光線画像:]は、パルス光を使用して超音波波を発生させます。それは、光学吸収と組織の弾力性の変化をグルコース誘発するマッピングすることができます。しかし、光音響センサーは、音響カップリングゲルを必要とし、動きに敏感です。 OCTは、接触カップリングの必要性を排除し、乾燥したウェアラブルパッチに統合することができます。
  • バイオインピーダンス分光:[ 組織の電気的特性を測定する;精度が悪い(MARD > 25%の多くの研究)汗、運動、および個々の解剖学からの干渉による。 OCTは、電気信号ではなく光学に依存し、測定量が小さく、よく定義されるため、そのようなアーティファクトに敏感です。
  • [Fluorescenceベースのセンサー:[] グルコースを結合するために、外因性の染料または注入されたマイクロビーズの注入を要求します。 これらは、真に非侵襲的ではなく、そして時間をかけてフロンファールファーが劣化する最小限の侵襲的です。 OCTは内因性コントラストのみを使用し、したがって、消耗品を必要としません。

これらの中で、OCTは急速な買収、ミクロンスケールの深さの分解、および表皮および皮下脂肪からの皮膚層を分ける機能の組合せのために際立っています。この解剖学的特異性は糖尿病管理に必要な正確さを達成するために重要です、従ってそれはセンサーが支柱の皮および皮脂とすぐに食欲をそらない表面的な毛細血管のような非グルコースの敏感なティッシュからの信号を拒絶することを可能にします。

最近の進歩: ベンチからウェアラブルプロトタイプまで

過去5年間、実験室のセットアップからポータブル、ウェアラブルデバイスへの OCT グルコースセンシングを翻訳する重要な進歩が生まれました。いくつかの研究グループは、周囲や指先に配置することができるハンドヘルド OCT プローブを実証しました。これらのプローブは、ミニチュアスキャン光学とバッテリー操作制御ユニットによって動力を与えられたコンパクトな光源を組み込んでいます。埋め込まれたシステムで実行されるリアルタイム処理アルゴリズムは、深さを抽出し、グルコーストの推定を生成し、glucを生成します。

機械学習は正確さを高めます

主要なブレークスルーは、機械学習の応用から来ています。 OCT の初期グルコースセンサーは、OCT 信号の斜面と参照血糖測定の間の線形回帰に依存しました。 このアプローチは、モーションアーティファクト、皮膚水和変化、個々の分析変動からノイズに脆弱でした。 最近の研究 ]] は、BCT の連続的変化を把握する、 集中力学的変化 (CNN) を 測定する と 測定器系ネットワーク (CNN) を に 測定する と 測定器を 測定する 測定器を 測定する 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 に 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器 測定器

OCTハードウェアの小型化

従来の OCT システム全体光学ベンチを埋めます。今日、光子集積回路(PIC)は OCT チップのサイズを指の爪にします。 分離されたソース レーザー、干渉計、フォトディテクタを 1 つのシリコン フォトニクス チップに統合することで、研究者は、小さなパッチとして着用できる 実証-of-concept デバイスを作成しました。 例えば、カリフォルニア大学、サンタバーバラ emont] のチームは、これらの製品が測定された製品に、これらの製品が測定値が測定されるのは、MCT を正確に測定するだけにするために、測定する必要が最小限られています。

適応型校正とセンサー融合

もう一つの研究領域は、補助センサとOCTを組み合わせたもので、堅牢性を向上させることができます。 []に公表された2024の研究では、温調センサー、接触圧力センサー、およびOTCプローブと水和センサーを統合しました。 これらの追加の測定を機械学習モデルに供給することにより、システムは異なる皮膚条件に校正および改善された精度を削減します。 このマルチモーダルアプローチは、日常的にさまざまな要因を使用するために、実験室を翻訳するために不可欠である場合があります。

臨床検証と精度メトリック

臨床的に有用であるためには、非侵襲的なグルコース センサーは既存の CGM に匹敵する正確さを達成しなければなりません。 ISO 15197:2013 の血ブドウ糖のモニタリング システムのための標準は ±15 mg/dL の参照の ±15 mg/dL の内の読書の 95% がより高い価値のための ±15% 内の下で落ちる、要求します。 OCT ベースのセンサーはけれども大規模な試験でこの標準に会っていないが、最近の結果は奨励です。

生物フォトニクスで公表された2023件の研究のジャーナル。 40の対象をタイプ1糖尿病で登録し、経口グルコース耐性試験とインシュリン誘発性低血症の間にOCT測定を収集しました。 センサーは、A(臨床的に正確)とB(受容可能な)ゾーンでペアリングされた読書の96%を配置した12.8%のMARDを達成し、MARDが(MARD)に試験されたときに、MARDが検出された8.Cが試験に一度に試験されたことを明らかにした。

他の研究は、異なる皮膚のトーン、ボディサイト、および年齢の上で再現性を向上させることに重点を置いています。 OCT信号は、皮膚の厚さとメラニン含有量の影響を受けるため、校正モデルはパーソナライズまたは人口の緊張しなければなりません。 最近の作業は、マルチスペクトルOTCを使用して - データを2つ以上の波長から組み合わせること - グルコース誘発散散による変化を構造的分散性から分離する約束を示しています。 例えば、1300nmと800nmを使用して、メラニンを吸収し、測定値を濃縮し、測定値を補正し、測定値を補正することができます。

期待を裏切る

約束にもかかわらず、OCTグルコースセンシングは、指のトリックや既存のCGMを交換することができる前に、いくつかの技術的なハードルに直面しています。

モーションアーティファクト

OCT イメージングは、組織表面とビームの正確な整列を必要とするため、わずかな動き(ハンドの振れや呼吸など)でさえ、深さのプロファイルを破損させることができます。ウェアラブルなプロトタイプは、このアクセラレータと適応光学トラッキングで対処しますが、アンブレータ条件下での現実的なテストは限られています。調査中のソリューションには、運動や信号処理技術がフレームを過剰に除去する高速リアルタイム画像安定化アルゴリズムが含まれており、動きに関係なく安定した機能を抽出します。

個々の変化

皮膚の水分補給、瘢痕組織、カルス、およびさらには最近の身体活動は、皮膚の光学特性を変更します。 1人で訓練された校正モデルは、別の人には一般化できません。 一部の研究者は、単純な電気インピーダンス測定などの補助センサーの使用を探求しています。これにより、OCT信号を結合因子に正規化します。 他の人は、人口統計的および生理学的メタデータが組み込まれている人口モデルを開発していますが、個別化された校正は、性能を最適化するために必要とされる可能性があります。

口径測定の漂流

絶対 OCT 信号強度は、ソース電力、繊維曲げ、温度の変化による漂流できます。 参照グルコース値との連続再較正は現在、30〜60 分ごとに必要です。 完全非侵襲的、校正なしのデバイスでは、センサーは少なくとも数日間安定した性能を維持しなければなりません。 参照グレードの進歩、温度 - 安定光源が作られていますが、商用製品は水平線上にはまだあります。 一部の研究者は、プローブの指示に従って、OCT を監視するようなポリマー信号を計測するような、例えば、OCT 信号をプローブから測定するなど、ポリマーを計測するような信号を計測します。

規制経路

米国食品医薬品局(FDA)は、OCTを使用する非侵襲性グルコースセンサーをまだ承認していません。 代理店は、厳格な臨床的証拠を実証し、安全と有効性を前提としたデバイスに匹敵する。 技術の新陳代謝、デノボ分類または510(k)の広範なラベル制限を提出する必要があります。 規制プロセスは、数年以上かかることがあります。 さらに、欧州医薬品庁およびその他の規制当局は、規制当局は、複雑な技術を評価する必要があります。

未来の展望:人工膵臓との統合

多くのOCT研究者にとって究極の目標は、非侵襲的なグルコースセンサーをクローズドループインシュリンデリバリーシステムに統合することです。一般的に人工膵臓として知られています。Medtronic MiniMed 780Gやタンデムt:slim X2とControl-IQは、7〜14日ごとにセンサー交換を必要とする最小限の侵襲的なCGMに依存しています。非侵襲的なセンサーは、廃棄物をゼロに抑え、無駄を抑えることができました。

また、OCTは、グルコース濃度を超えて追加の生理学的情報を提供する可能性が高まっています。例えば、同じ深さの解決された画像は、皮膚の血流、組織の水分補給、および毛細密度の変化を明らかにする - 糖尿病性神経症または周辺動脈疾患の早期徴候を検出するために使用できるメトリック。将来のウェアラブルOCTデバイスは、糖尿病患者のためのマルチパラメータ健康ダッシュボードを提供し、技術の臨床ユーティリティを大幅に拡大する可能性があります。

消費者側では、OCTセンサーをSmartwatchesに統合した特許を提出した主要な技術会社がいます。レポートは、Apple]が10年以上にわたり非侵襲的なグルコースモニターを探索してきたことを示唆しています。最近の特許は、特にOCTを組み込んでいます。製品が発表されていない間、フォトニックチップの小型化、バッテリー技術、機械学習は、電子デバイスを早期に公開する可能性があることを示唆しています。また、OCT-20年後には、OCTを事前に公開する医療機器を初めて公開する予定です。

最後に、インシュリンポンプと連続サブカテインインインシュリン注入システムとの統合により、ワイヤレスプロトコル(Bluetooth、NFC)とクラウドベースのデータ分析が必要となる可能性があります。リアルタイムのグルコース読み取りを毎分提供できるOCTセンサーは、定期的な校正やセンサー変更を必要としないで、完全に自動化されたインシュリンの配信を可能にし、1型糖尿病患者の生活の質を飛躍的に向上させます。

コンテンツ

光干渉トモグラフィーは、非侵襲的なグルコースセンシングのための主要な候補として登場しました, 臨床イメージングとフォトニクスにおける開発の数十年を活用. 最近、微小化ハードウェアの進歩, リアルタイムのデータ処理, マシン学習口径測定は、実用的な使用のしわに技術をもたらしました. 運動アーティファクトの周りの課題, 個々の変動, 規制クリア, 軌跡はクリアです: 糖尿病の人は、単に次のレベルの検査ツールをすることができます, 単に次のレベルの糖尿病は、次のレベルの検査を最適化しません - コミュニティのストリップ.