中紅外光譜法可以實現(xiàn)無創(chuàng)血糖檢測，但目前還沒有開發(fā)出基于該方法的實用設備。據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，日本香川大學（Kagawa University）的研究人員提出了一種利用中紅外被動光譜成像實現(xiàn)遠距離葡萄糖測量的方法。該方法利用人體熱輻射的光譜成像在世界上首次實現(xiàn)了對葡萄糖誘導發(fā)光的遠距離檢測。

此外，在60分鐘時間內，每隔一定時間于手腕處采集的葡萄糖發(fā)射光譜顯示，葡萄糖發(fā)射的光譜強度與侵入式傳感器測量的血糖水平之間有很強的相關性。因此，該研究提出的新技術有望應用于糖尿病患者的實時監(jiān)測，以檢測睡眠期間的低血糖發(fā)作，并實現(xiàn)人群中高血糖癥狀的診斷。

此外，該項技術可能為進一步的創(chuàng)新奠定基礎，從而使遠距離測量各種物質成為可能。相關研究成果以“Glucose emission spectra through mid-infrared passive spectroscopic imaging of the wrist for non-invasive glucose sensing”為題，發(fā)表于Scientific Reports期刊。

圖1a顯示的為用于皮膚測量的、基于中紅外被動光譜成像的光學系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個光譜儀和一個可互換透鏡組成，采用無限共軛比設計。由于處于熱波段，中紅外光被認為會受到儀器內部同步熱輻射的影響。因此，在測量過程中使用加熱器將光譜儀穩(wěn)定在1°C以內。

圖1 以受試者A的手腕和手背為測量點的中紅外被動光譜成像光學系統(tǒng)

首先，該研究驗證了所提方法能否獲得皮膚表面的發(fā)射光譜。1名成年男性受試者參與了該研究。接下來，研究驗證了所提出的葡萄糖定量檢測方法。在該實驗中，在從0分鐘（測量開始）到60分鐘（測量結束）的時間段內，每隔10分鐘，分別使用該研究所提出的方法以及商用侵入式血糖傳感器（GLUCOCARD PlusCare，Arkray公司，日本京都）對5名受試者的手腕進行一次測量。

隨后，對采用該研究所提出的方法獲得的數(shù)據(jù)進行處理，生成偽彩色圖。受試者A接受測量時的血糖水平為84mg/dL。用中紅外光譜中常用的傅立葉變換紅外分光光度計（FTIR）測量葡萄糖水溶液的吸收光譜，如圖2c、2d中的黑色虛線所示。

從圖中可以看出，分光光度計測量波段內葡萄糖發(fā)射率的代表性峰值在9.25μm和9.65μm波長處。因此，在9.65μm波長處的發(fā)射率被指定為葡萄糖發(fā)射率（圖2a、2b），在手腕中心和手背周圍的帶狀區(qū)域可以觀察到高葡萄糖發(fā)射率。圖2c、2d紅色實線部分顯示了在偽彩色圖中選取的高發(fā)射率坐標（方形標記位置）處的平均發(fā)射光譜情況。

將這兩個光譜與葡萄糖溶液的FTIR光譜進行比較，發(fā)現(xiàn)在9.25μm和9.65μm的波長處有葡萄糖對應的發(fā)射峰。這一結果表明，所提出的方法可以用來測量葡萄糖濃度變化。

圖2 以受試者A的手腕和手背為測量點的中紅外被動光譜成像結果

圖3a為受試者A在各時間間隔點的發(fā)射光譜。如圖所示，該研究成功地在每個時間點的光譜中檢測到葡萄糖發(fā)射峰。然而，由于測量過程中皮膚表面溫度的降低，發(fā)射光譜的基線隨著時間的增加而上移。因此，如圖3b所示，將所有光譜歸一化。

此外，因為8.2μm波長處的峰值為葡萄糖依賴性較低的峰值，因此指定其為發(fā)射水平為0的峰值。受傅里葉光譜學測量原理的影響，峰波長會隨著儀器分辨率的變化而變化。該研究將9.0μm和9.7μm波長設為葡萄糖峰的最佳值，并將在9.0μm和9.7μm波長處作為葡萄糖信號的平均光度與血糖水平進行比較。

此外，對受試者B-E的發(fā)射光譜進行相似的歸一化處理，在9.0μm和9.7μm波長處葡萄糖峰的平均發(fā)射率和血糖水平的時間趨勢如圖4a-4e所示。受試者A、B和C的實驗結果表明，在8.2μm波長處的平均發(fā)射強度與葡萄糖變化的影響成正比。

相比之下，在受試者D和E的結果中沒有觀察到這種趨勢，這可能是受皮膚粘連、出汗、反射光等因素影響引起的。因此，研究人員對受試者D和E的研究結果中與侵入式血糖傳感器測量值相關性高的參考波長進行了全面檢索。受試者D和E的研究結果如圖5所示。將受試者D的參考波長設置為8.57μm，受試者E的參考波長設置為8.97μm，平均發(fā)光強度與血糖濃度成正比。如圖6所示，制定了每個受試者的發(fā)射率與血糖水平的標定曲線，實驗結果發(fā)現(xiàn)二者具有較高的相關性。

圖3 受試者A發(fā)射光譜隨時間變化的情況

圖4 基于每10分鐘周期性測量的光發(fā)射情況和血糖水平的時間變化

圖5 優(yōu)化受試者D和E在血糖測量過程中的校正波長

圖6 受試者A-E發(fā)射率與血糖水平的相互關系評估

綜上所述，該研究表明，利用基于二維傅里葉光譜的中紅外被動光譜成像技術可以遠距離、無創(chuàng)地測量血糖變化。與其他方法相比，所提出的方法是完全非接觸的，可以在二維范圍內測量葡萄糖變化，該研究的目標是開發(fā)一個系統(tǒng)，從而只需生活在光譜儀的視野范圍內，便可以實現(xiàn)對葡萄糖變化的自動監(jiān)測。

這一技術有望發(fā)展成為可以同時測量多人血糖變化，并能夠在一個群體中識別糖尿病患者的固定設施技術。此外，它有望幫助完善相關的安全措施，如監(jiān)測糖尿病患者在睡眠期間的低血糖發(fā)作。進一步的研究將通過提高測量精度和最小化個體差異的影響來實現(xiàn)無創(chuàng)葡萄糖傳感器的進一步完善。

展望未來，這項技術有望帶來一個全新的診斷成像概念，使得除了葡萄糖變化的影響以外，所有的生命體征，都可以通過簡單地隔空監(jiān)測實現(xiàn)。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41598-022-25161-x

審核編輯：劉清