Глюкоза без прокола кожи: что умеет кембриджский спектрометр за $10

Учёные создали миниатюрный анализатор света, способный оценивать биомаркеры через кожу. Но до медицинской лаборатории на запястье остаётся важный шаг.

Как свет может рассказать о составе крови

У каждого вещества есть характерные особенности взаимодействия со светом. Одни длины волн поглощаются сильнее, другие слабее. Совокупность этих различий образует спектральный отпечаток вещества.

Именно на этом принципе основана спектроскопия — метод исследования химического состава по взаимодействию вещества с электромагнитным излучением.

Кембриджское устройство работает в ближнем инфракрасном диапазоне с длинами волн 1200-1700 нанометров. Такой свет невидим человеческому глазу, но способен проникать на небольшую глубину в кожу и взаимодействовать с находящимися там молекулами.

Часть света рассеивается и возвращается к поверхности. По изменениям спектра отражённого излучения можно получить информацию о свойствах тканей и присутствующих веществах.

Однако есть принципиальная сложность.

Кожа состоит из воды, белков, жиров и множества других компонентов. Их спектральные сигналы перекрываются. Глюкоза содержится в относительно небольшой концентрации, поэтому выделить её вклад из общего оптического сигнала чрезвычайно трудно.

Именно эта проблема десятилетиями ограничивает развитие неинвазивных глюкометров.

Почему конволюционный спектрометр работает иначе

Традиционный спектрометр разделяет свет на составляющие длины волн или восстанавливает спектр с помощью оптических и вычислительных методов.

Кембриджские исследователи использовали математическую операцию свёртки, известную также как convolution.

Представьте, что нужно распознать сложный рисунок через шаблон с чередующимися прозрачными и непрозрачными участками. Если последовательно сдвигать шаблон и каждый раз измерять суммарную яркость проходящего света, можно собрать данные, позволяющие математически восстановить исходное изображение.

В новом спектрометре используется похожая идея, но вместо изображения исследуется распределение света по длинам волн.

На фотонном чипе размещены четыре последовательно соединённых интерферометра Маха — Цендера. Это миниатюрные оптические структуры, в которых свет разделяется на два пути, а затем снова объединяется. Различия оптических путей создают характерный периодический отклик.

Электронная система согласованно изменяет фазы в интерферометрах. В результате общий спектральный отклик устройства последовательно сдвигается, а фотодетектор регистрирует соответствующие изменения интенсивности света.

Полученные измерения обрабатываются с помощью быстрого преобразования Фурье — математического алгоритма, позволяющего восстановить исходный спектр из зарегистрированного сигнала.

Это и есть главный научный результат.

Сложная часть анализа переносится на уровень управляемых оптических структур и относительно простых математических операций. Для восстановления спектра не требуется громоздкая оптическая система или ресурсоёмкий алгоритм реконструкции.

В экспериментальном устройстве измерение и локальная обработка спектра занимали менее 0,4 секунды.

Устройство за $10 оказалось точнее больших приборов в отдельных тестах

Для изготовления фотонного чипа исследователи использовали нитрид кремния — материал, применяемый в интегральной фотонике для создания микроскопических оптических волноводов.

Размер самого фотонного кристалла составлял около 0,9 × 3,4 мм. Полностью собранный спектрометрический модуль с электроникой имел размеры 4,8 × 6,2 × 0,6 см и массу 16,5 г.

Стоимость компонентов авторы оценивают примерно в $10. В дополнительной таблице к исследованию приведён расчёт менее $13, включая фотонный чип, фотодетектор, микроконтроллер и управляющую электронику.

Но это не цена готового медицинского браслета. Расчёт не включает всю экспериментальную систему освещения и измерительный интерфейс для кожи, а также расходы на создание серийного медицинского изделия.

Первоначально спектрометр проверили не на людях, а на образцах материалов и химических растворах.

Он различал десять типов пластмасс, десять фармацевтических порошков, разные сорта кофе, муки и зелёного чая. В контролируемых испытаниях алгоритм правильно классифицировал все образцы тестовых наборов.

Затем исследователи измеряли концентрации этанола, глюкозы, лактата и других веществ в подготовленных растворах.

Средняя абсолютная ошибка определения концентраций составила приблизительно 0,006-0,017 процентного пункта в зависимости от вещества. В экспериментах с растворами глюкозы устройство показало меньшую ошибку, чем два коммерческих настольных спектрометра.

Здесь важно не перепутать результаты. Точность порядка 0,01% относится к специально подготовленным растворам, а не к измерению глюкозы в организме человека. Кроме того, стопроцентная классификация была достигнута для заранее отобранных образцов и не означает безошибочное распознавание любых материалов или лекарств.

Глюкоза через кожу: что показали испытания на людях

Самая интересная часть исследования связана с биомедицинскими применениями.

Учёные разработали измерительный зонд, который можно закрепить на запястье. Он освещает кожу инфракрасным светом и регистрирует отражённый сигнал.

В экспериментах с человеческими биомаркерами было проведено 126 участий в отдельных испытаниях и собрано около 6000 спектров.

Исследователи оценивали четыре показателя:

• Влажность кожи — у 26 участников, со средней абсолютной ошибкой 2,49 процентного пункта.
• Алкоголь в крови — у 24 участников, со средней абсолютной ошибкой 1,70 мг/дл.
• Лактат крови — у 48 участников после интенсивной физической нагрузки, со средней абсолютной ошибкой 0,81 ммоль/л.
• Глюкозу крови — у 27 участников, со средней абсолютной ошибкой 0,36 ммоль/л.

В эксперименте с глюкозой добровольцы проходили пероральный глюкозотолерантный тест: после приёма 75 г глюкозы исследователи сравнивали оптические данные с результатами обычного измерения крови из пальца.

Дополнительно был проведён многодневный эксперимент на одном 21-летнем участнике. Специально обученная персональная нейросетевая модель отслеживала изменения глюкозы в течение дня.

Среднее абсолютное относительное расхождение с двумя контрольными методами составило 7,82% и 10,03%.

Это обнадёживающий результат для экспериментального оптического сенсора. Но показатели средней ошибки ещё не доказывают, что устройство безопасно использовать для диагностики диабета или расчёта дозы инсулина.

Почему точный сенсор ещё не означает точный глюкометр

Здесь исследование обнаружило принципиальное ограничение.

Авторы прямо указали, что ни модель, обученная на данных группы участников, ни персональная модель для длительного наблюдения пока не обеспечивают надёжного переноса результатов на новых людей.

Причина связана с индивидуальными особенностями организма.

Толщина кожи, пигментация, количество подкожного жира, содержание воды, температура тканей и особенности кровообращения влияют на отражение инфракрасного света.

Два человека с одинаковым уровнем глюкозы могут иметь разные спектральные характеристики кожи. И наоборот, изменение состояния кожи способно изменить оптический сигнал даже без соответствующего изменения концентрации глюкозы.

Алгоритм машинного обучения должен отличать слабый сигнал глюкозы от всех этих факторов.

Это существенно более сложная задача, чем измерение концентрации глюкозы в прозрачном лабораторном растворе.

Кроме того, медицинская точность определяется не только средним отклонением от эталонного значения. Особенно важно, насколько часто возникают большие ошибки и как ведёт себя устройство при гипогликемии — опасном снижении уровня сахара.

Неверный показатель может привести к неправильному решению о введении инсулина или приёме лекарства.

Именно поэтому американский регулятор FDA ещё в 2024 году предупреждал об опасности использования умных часов и колец, обещающих самостоятельно измерять глюкозу без прокола кожи, но не прошедших необходимую проверку.

Кембриджский прототип пока нельзя считать заменой зарегистрированным глюкометрам и системам непрерывного мониторинга глюкозы.

Почему технология интересна не только людям с диабетом

Хотя неинвазивное измерение глюкозы привлекает наибольшее внимание, возможности нового спектрометра значительно шире.

Для фармацевтической промышленности миниатюрный оптический анализатор потенциально интересен как инструмент контроля сырья, различения веществ и проверки состава растворов непосредственно в производственном процессе.

Особенно перспективны условия, где необходимо проводить частые измерения без доставки каждого образца в лабораторию.

В пищевой промышленности такие сенсоры могли бы контролировать характеристики продуктов, а в системах переработки отходов — помогать сортировать пластмассы по химическому составу.

В медицине отдельное направление связано с мониторингом лактата.

Лактат образуется при обмене веществ, а его концентрация в крови может изменяться при интенсивной физической нагрузке и различных патологических состояниях. Доступные оптические измерения могли бы оказаться полезными для спортивной физиологии, однако применение в клинической диагностике требует отдельной проверки.

Интерес представляет и одновременное наблюдение нескольких биомаркеров. Теоретически один спектрометр может формировать данные для разных моделей анализа без принципиального изменения его оптической архитектуры.

Но для каждого показателя необходимы собственные исследования точности, воспроизводимости и клинической значимости.

Что должно произойти, прежде чем лаборатория появится на запястье

Технология прошла важный инженерный этап: исследователи не ограничились моделированием и изготовлением фотонного чипа, а создали компактный работающий модуль с управляющей электроникой.

Они также продемонстрировали устойчивость его спектральных измерений к температурным изменениям в диапазоне от -20°C до +80°C с применением коррекции температурного дрейфа.

Однако эти результаты характеризуют прежде всего физическую измерительную систему, а не медицинскую надёжность определения глюкозы в столь широких условиях.

Для перехода к практическому применению потребуются более масштабные исследования на людях разных возрастов, с различными физиологическими характеристиками и заболеваниями.

Особое значение будет иметь проверка алгоритмов на участниках, данные которых не использовались для обучения. Также необходимо выяснить, насколько устойчивы измерения при движении, потоотделении, изменении температуры кожи и длительном ношении устройства.

Следующий инженерный вопрос — объединение спектрометра, источников инфракрасного света, измерительного зонда, питания и программного обеспечения в действительно удобном носимом устройстве.

Затем предстоят клиническая оценка и, в случае медицинского применения, соответствующие регуляторные процедуры.

Профессор Цисян Чэн, руководивший исследованием, рассматривает разработку как путь к повсеместному использованию высокоточного оптического анализа в привычной электронике.