혈액 내 간섭물질 및 외부 변동요인이 근적외선 분광분석법을 이용한 혈당 측정에 미치는 영향 (The) influence of the interference in blood and external parameter on blood glucose monitoring by near-infrared spectroscopy원문보기
근적외선 분광분석법을 이용한 비침투적 혈당측정은 환자에게 통증 및 감염의 경로를 제공하지 않는다는 장점으로 그 개발은 필수적이고, 현재는 이 방법을 이식용 인공췌장에 센서로서의 활용에 이르고 있다. 근적외선 분광분석법을 적용한 혈당 측정의 연구는 기기의 개발 및 그에 적용한 임상 실험에 관한 분야, 기기의 정확성이나 재현성의 저하의 원인을 찾는 기초실험, 다변량분석법 개발 등의 분야에서 이루어지고 있다. 본 연구에서는 근적외선 분광분석기를 이용한 혈당 측정에서 정확성 및 재현성 저하의 요인으로 사려되는 글루코오스 외에 혈액을 구성하고 있는 간섭 물질 및 수분, 데이터 수집기간, 검체의 체온, 다른 분광 방식의 기기, 혈당 범위 등의 외부 요인의 변동에 관한 실험을 통해 그것이 미치는 영향을 알아보고, 나아가 기기의 정확성 및 재현성의 확립을 마련하고자 하였다. 수분의 영향 및 분광방식의 차이에 대한 영향을 알아보기 위해 세 가지 방식의 근적외선 분광분석기를 사용하여 글루코오스 수용액을 투과의 방식으로 측정하였다. 모든 기기에서 2차, 1차 배음대, 조합대의 밴드를 확인 할 수 있었고, 부분최소자승회귀분석법 (...
근적외선 분광분석법을 이용한 비침투적 혈당측정은 환자에게 통증 및 감염의 경로를 제공하지 않는다는 장점으로 그 개발은 필수적이고, 현재는 이 방법을 이식용 인공췌장에 센서로서의 활용에 이르고 있다. 근적외선 분광분석법을 적용한 혈당 측정의 연구는 기기의 개발 및 그에 적용한 임상 실험에 관한 분야, 기기의 정확성이나 재현성의 저하의 원인을 찾는 기초실험, 다변량분석법 개발 등의 분야에서 이루어지고 있다. 본 연구에서는 근적외선 분광분석기를 이용한 혈당 측정에서 정확성 및 재현성 저하의 요인으로 사려되는 글루코오스 외에 혈액을 구성하고 있는 간섭 물질 및 수분, 데이터 수집기간, 검체의 체온, 다른 분광 방식의 기기, 혈당 범위 등의 외부 요인의 변동에 관한 실험을 통해 그것이 미치는 영향을 알아보고, 나아가 기기의 정확성 및 재현성의 확립을 마련하고자 하였다. 수분의 영향 및 분광방식의 차이에 대한 영향을 알아보기 위해 세 가지 방식의 근적외선 분광분석기를 사용하여 글루코오스 수용액을 투과의 방식으로 측정하였다. 모든 기기에서 2차, 1차 배음대, 조합대의 밴드를 확인 할 수 있었고, 부분최소자승회귀분석법 (Partial Least SquareRegression : PLSR)을 이용한 다변량 분석에서도 유의성 있는 결과를 얻었다. 시료 농도 대비 흡광도 값을 계산하여 나타낸 기기별 글루코오스에 대한 민감도 평가에서도 2차 배음대, 1차 배음대, 조합대에서 분산, 배열 광다이오드, 푸리에 변환 근적외선 분광분석기가 각각 가장 좋은 값을 얻었다. 용매를 pH 7.4 인산완충용액을 사용하였고, 그것을 투과의 기준값으로 하여 측정한 결과와 공기를 투과의 기준값으로 하여 측정한 결과를 비교하여 수분에 대한 영향을 알아보고자 하였다. 전처리를 하지 않은 raw 스펙트럼의 조합대에서 투과의 기준물질을 인산완충용액으로 하여 측정한 것에서 더 많은 글루코오스의 피크를 확인 할 수 있었다. 부분최소자승회귀분석법을 이용한 다변량 분석에서도 인산완충용액을 투과의 기준값으로 하여 측정한 분석에서 더 개선된 calibration 결과를 얻을 수 있었다. 혈액 내에 존재하는 간섭 물질에 대한 영향을 알아보기 위해 배열 광 다이오드 방식의 근적외선 분광분석기를 이용하여 혈액 내 주요 성분 파우더를 측정하였고, 보다 복잡한 matrix 인 전혈, 혈장 내에서의 글루코오스를 측정하였다. 혈액 간섭물질 존재하에서의 글루코오스의 피크 및 그 정량성의 확인이 가능하였다. 주성분분석 (Principle Component Analysis : PCA)을 통해 각 성분이 독립적으로 존재함을 알 수 있었다. 정상인을 대상으로 한 임상 실험에서 얻은 전완의 피부 스펙트럼에 대해서 부분최소자승회귀분석법을 이용한 분석결과 다른 혈액성분 모델보다 글루코오스의 모델이 오차 및 상관성에서 가장 좋은 결과를 보여주었다. 당화 혈색소는 헤모글로빈의 valin 잔기 말단에 비가역적으로 당이 결합되어 있고, 근적외선 분광분석법의 적용이 가능하기 때문에 혈액 구성성분 중 가장 강력한 간섭물질이라 사려되었다. 이에 측정부위인 프루브를 배열광 다이오드 근적외선 분광분석기에 내장 시키고, 인체로부터 얻은 스펙트럼과 혈당값 및 당화혈색소값을 고려한 혈당값을 참고 값으로 하여 부분최소 자승회귀분석법 및 error grid analysis (EGA)를 이용하여 분석하였다. 그 결과 당화혈색소를 고려한 혈당값에서 개선된 calibration 모델 및 정확성이 향상된 EGA 결과를 얻었다. 모델 개발에 data 수집 기간, 검체의 체온, 혈당 범위가 미치는 영향에 대해 알아보기 위해 정상군, 제 1형 당뇨군, 제 2형 당뇨군으로 나눈 마우스를 대상으로 10주간 실험을 행하였다. 측정 주별 스펙트럼과 전체 스펙트럼을 각각 부분최소자승회귀분석법을 이용하여 간이혈당기로 얻어진 혈당값과 함께 다변량 분석을 한 결과 측정 주별 분석결과는 적용이 가능할 정도로 좋은 calibration 모델을 얻었으나, 전체 스펙트럼은 유의성이 거의 없는 calibration 모델을 얻었다. 이를 주성분분석과 classification을 통해 발생한 outlier를 제거한 후의 전체 스펙트럼의 분석결과 유의성 있는 calibration 모델을 얻을 수 있었다. 이때, 검체의 체온이 낮은 집단에서만 outlier가 나타남을 확인 할 수 있었고, 체온 별 분석 결과 체온변화는 37℃ 이상으로 유지시켜 주었을 때, 오차를 줄일 수 있음을 확인하였다. 혈당범위가 다른 세 집단에 대하여 부분최소자승회귀분석법을 이용하여 다변량 분석하였고, 정상범위의 혈당과 좁은 범위의 혈당에서 더 좋은 결과를 얻었다. 이상의 연구에서 기기의 차이, 수분, 당화 혈색소, data 수집기간, 측정 검체의 온도, 혈당 범위 등이 근적외선 분광분석법을 이용한 혈당 측정에 영향을 주는 것으로 확인되었다. 본 연구에서는 근적외선 분광분석기를 이용한 비침투적인 혈당 측정시의 몇 가지 영향인자들을 밝혀 내었고, 그것의 배제 방법의 제안을 통해 혈당측정에 있어서의 정확성 및 재현성 확보의 가능성을 보여주었다.
근적외선 분광분석법을 이용한 비침투적 혈당측정은 환자에게 통증 및 감염의 경로를 제공하지 않는다는 장점으로 그 개발은 필수적이고, 현재는 이 방법을 이식용 인공췌장에 센서로서의 활용에 이르고 있다. 근적외선 분광분석법을 적용한 혈당 측정의 연구는 기기의 개발 및 그에 적용한 임상 실험에 관한 분야, 기기의 정확성이나 재현성의 저하의 원인을 찾는 기초실험, 다변량분석법 개발 등의 분야에서 이루어지고 있다. 본 연구에서는 근적외선 분광분석기를 이용한 혈당 측정에서 정확성 및 재현성 저하의 요인으로 사려되는 글루코오스 외에 혈액을 구성하고 있는 간섭 물질 및 수분, 데이터 수집기간, 검체의 체온, 다른 분광 방식의 기기, 혈당 범위 등의 외부 요인의 변동에 관한 실험을 통해 그것이 미치는 영향을 알아보고, 나아가 기기의 정확성 및 재현성의 확립을 마련하고자 하였다. 수분의 영향 및 분광방식의 차이에 대한 영향을 알아보기 위해 세 가지 방식의 근적외선 분광분석기를 사용하여 글루코오스 수용액을 투과의 방식으로 측정하였다. 모든 기기에서 2차, 1차 배음대, 조합대의 밴드를 확인 할 수 있었고, 부분최소자승회귀분석법 (Partial Least Square Regression : PLSR)을 이용한 다변량 분석에서도 유의성 있는 결과를 얻었다. 시료 농도 대비 흡광도 값을 계산하여 나타낸 기기별 글루코오스에 대한 민감도 평가에서도 2차 배음대, 1차 배음대, 조합대에서 분산, 배열 광다이오드, 푸리에 변환 근적외선 분광분석기가 각각 가장 좋은 값을 얻었다. 용매를 pH 7.4 인산완충용액을 사용하였고, 그것을 투과의 기준값으로 하여 측정한 결과와 공기를 투과의 기준값으로 하여 측정한 결과를 비교하여 수분에 대한 영향을 알아보고자 하였다. 전처리를 하지 않은 raw 스펙트럼의 조합대에서 투과의 기준물질을 인산완충용액으로 하여 측정한 것에서 더 많은 글루코오스의 피크를 확인 할 수 있었다. 부분최소자승회귀분석법을 이용한 다변량 분석에서도 인산완충용액을 투과의 기준값으로 하여 측정한 분석에서 더 개선된 calibration 결과를 얻을 수 있었다. 혈액 내에 존재하는 간섭 물질에 대한 영향을 알아보기 위해 배열 광 다이오드 방식의 근적외선 분광분석기를 이용하여 혈액 내 주요 성분 파우더를 측정하였고, 보다 복잡한 matrix 인 전혈, 혈장 내에서의 글루코오스를 측정하였다. 혈액 간섭물질 존재하에서의 글루코오스의 피크 및 그 정량성의 확인이 가능하였다. 주성분분석 (Principle Component Analysis : PCA)을 통해 각 성분이 독립적으로 존재함을 알 수 있었다. 정상인을 대상으로 한 임상 실험에서 얻은 전완의 피부 스펙트럼에 대해서 부분최소자승회귀분석법을 이용한 분석결과 다른 혈액성분 모델보다 글루코오스의 모델이 오차 및 상관성에서 가장 좋은 결과를 보여주었다. 당화 혈색소는 헤모글로빈의 valin 잔기 말단에 비가역적으로 당이 결합되어 있고, 근적외선 분광분석법의 적용이 가능하기 때문에 혈액 구성성분 중 가장 강력한 간섭물질이라 사려되었다. 이에 측정부위인 프루브를 배열광 다이오드 근적외선 분광분석기에 내장 시키고, 인체로부터 얻은 스펙트럼과 혈당값 및 당화혈색소값을 고려한 혈당값을 참고 값으로 하여 부분최소 자승회귀분석법 및 error grid analysis (EGA)를 이용하여 분석하였다. 그 결과 당화혈색소를 고려한 혈당값에서 개선된 calibration 모델 및 정확성이 향상된 EGA 결과를 얻었다. 모델 개발에 data 수집 기간, 검체의 체온, 혈당 범위가 미치는 영향에 대해 알아보기 위해 정상군, 제 1형 당뇨군, 제 2형 당뇨군으로 나눈 마우스를 대상으로 10주간 실험을 행하였다. 측정 주별 스펙트럼과 전체 스펙트럼을 각각 부분최소자승회귀분석법을 이용하여 간이혈당기로 얻어진 혈당값과 함께 다변량 분석을 한 결과 측정 주별 분석결과는 적용이 가능할 정도로 좋은 calibration 모델을 얻었으나, 전체 스펙트럼은 유의성이 거의 없는 calibration 모델을 얻었다. 이를 주성분분석과 classification을 통해 발생한 outlier를 제거한 후의 전체 스펙트럼의 분석결과 유의성 있는 calibration 모델을 얻을 수 있었다. 이때, 검체의 체온이 낮은 집단에서만 outlier가 나타남을 확인 할 수 있었고, 체온 별 분석 결과 체온변화는 37℃ 이상으로 유지시켜 주었을 때, 오차를 줄일 수 있음을 확인하였다. 혈당범위가 다른 세 집단에 대하여 부분최소자승회귀분석법을 이용하여 다변량 분석하였고, 정상범위의 혈당과 좁은 범위의 혈당에서 더 좋은 결과를 얻었다. 이상의 연구에서 기기의 차이, 수분, 당화 혈색소, data 수집기간, 측정 검체의 온도, 혈당 범위 등이 근적외선 분광분석법을 이용한 혈당 측정에 영향을 주는 것으로 확인되었다. 본 연구에서는 근적외선 분광분석기를 이용한 비침투적인 혈당 측정시의 몇 가지 영향인자들을 밝혀 내었고, 그것의 배제 방법의 제안을 통해 혈당측정에 있어서의 정확성 및 재현성 확보의 가능성을 보여주었다.
Use of non-invasive detection techniques offers several advantages, such as the absence of pain and infection route and the potential for a closed-loop system including a monitoring and an insulin pump. The fields of this research are development of the noninvasive blood glucose monitoring system, c...
Use of non-invasive detection techniques offers several advantages, such as the absence of pain and infection route and the potential for a closed-loop system including a monitoring and an insulin pump. The fields of this research are development of the noninvasive blood glucose monitoring system, clinical trials, an accuracy and reproducibility improvement through fundamental study. In this study, It investigated the influence factor, such as blood components excluding glucose, water, long-term study, subject body temperature, difference of spectrometric performance, blood glucose level range, on non-invasive blood glucose monitoring using near-infrared spectroscopy. To investigate the influence of water and spectrometric difference, It measured aqueous glucose solution with transmittance method using three types near-infrared system. Glucose absorption band appeared at second overtone, first overtone, combination band of all systems spectrum and partial least squares (PLS) regression models were the alnalytical utility to determine glucose concentration. Spectrometric sensitivity evaluated by absorbance for concentration and sensitivity for glucose absorption bands, second overtone, first overtone, and combination band, were good in three types system, dispersive, PDA, FT near-infrared spectrometer, respectively. For studying of the water effect, pH 7.4 Phosphate buffer and air were used as reference in respect of transmittance and the calibration results were compared. Raw spectra using a phosphate buffer showed more glucose absorption bands at combination band. PLSR modeling results using a phosphate buffer also were better than it using the air. It was measured blood components powder and glucose in whole blood and undiluted serum, which was more complex matrix than it, with a PDA type spectrometer to investigate the influence of the interference in blood. It validated glucose absorption bands and good quantitativity under exsisting of other blood componets. Used blood components response independent of glucose in near-infrared region by Principle Component Analysis (PCA) results. PLS models of blood glucose for forearm spectra in normal subjects showed model better than others. We suspected Hemoglobin Alc (HbAlc) as the critical influence factor on non-invasive blood glucose measurement because it has irreversibly bonded glucose. The study was carried out in diabetic patients by PDA type system having fiber optic probe within and PLSR and Error grid analysis (EGA) were applied for determine of glucose and glucose included HbAlc. It presented more accuracy in PLSR modeling results and EGA results for blood glucose level included HbAlc. Female mice, normal, type I diabetes, type Ⅱ diabetes group, were used to investigate for the influence of the long-term study, body temperature of subjects and blood glucose levels range for 10 weeks. Calibration result was good for each week spectra, but total spectra result wasn't. PCA applied for 9 weeks spectra, then classification was carried out that the PCA model applied for the other week. The outliers appeared to subjects with low-body-temperature. Calibration results for total spectra excluding outliers significantly improved in standard errors of prediction (SEP) and correlation coefficient. Body temperature must control to 37℃ for good calibration model for determine of blood glucose levels using a PDA type near-infrared spectrometer. PLSR and EGA were applied to correlate the collected three groups spectra with the blood glucose levels and this obtained best result in tight and normal range of blood glucose. Results form this study validated that It was the influence of spectrometric difference, water, Hemoglobin Alc, long-term study, body temperature and blood glucose levels range on non-invasive blood glucose monitoring by near-infrared spectroscopy. This study established several influence factors on non-invasive blood glucose monitoring by near-infrared spectroscopy and showed possibility to ensuring accuracy and reproducibility through some proposed solutions.
Use of non-invasive detection techniques offers several advantages, such as the absence of pain and infection route and the potential for a closed-loop system including a monitoring and an insulin pump. The fields of this research are development of the noninvasive blood glucose monitoring system, clinical trials, an accuracy and reproducibility improvement through fundamental study. In this study, It investigated the influence factor, such as blood components excluding glucose, water, long-term study, subject body temperature, difference of spectrometric performance, blood glucose level range, on non-invasive blood glucose monitoring using near-infrared spectroscopy. To investigate the influence of water and spectrometric difference, It measured aqueous glucose solution with transmittance method using three types near-infrared system. Glucose absorption band appeared at second overtone, first overtone, combination band of all systems spectrum and partial least squares (PLS) regression models were the alnalytical utility to determine glucose concentration. Spectrometric sensitivity evaluated by absorbance for concentration and sensitivity for glucose absorption bands, second overtone, first overtone, and combination band, were good in three types system, dispersive, PDA, FT near-infrared spectrometer, respectively. For studying of the water effect, pH 7.4 Phosphate buffer and air were used as reference in respect of transmittance and the calibration results were compared. Raw spectra using a phosphate buffer showed more glucose absorption bands at combination band. PLSR modeling results using a phosphate buffer also were better than it using the air. It was measured blood components powder and glucose in whole blood and undiluted serum, which was more complex matrix than it, with a PDA type spectrometer to investigate the influence of the interference in blood. It validated glucose absorption bands and good quantitativity under exsisting of other blood componets. Used blood components response independent of glucose in near-infrared region by Principle Component Analysis (PCA) results. PLS models of blood glucose for forearm spectra in normal subjects showed model better than others. We suspected Hemoglobin Alc (HbAlc) as the critical influence factor on non-invasive blood glucose measurement because it has irreversibly bonded glucose. The study was carried out in diabetic patients by PDA type system having fiber optic probe within and PLSR and Error grid analysis (EGA) were applied for determine of glucose and glucose included HbAlc. It presented more accuracy in PLSR modeling results and EGA results for blood glucose level included HbAlc. Female mice, normal, type I diabetes, type Ⅱ diabetes group, were used to investigate for the influence of the long-term study, body temperature of subjects and blood glucose levels range for 10 weeks. Calibration result was good for each week spectra, but total spectra result wasn't. PCA applied for 9 weeks spectra, then classification was carried out that the PCA model applied for the other week. The outliers appeared to subjects with low-body-temperature. Calibration results for total spectra excluding outliers significantly improved in standard errors of prediction (SEP) and correlation coefficient. Body temperature must control to 37℃ for good calibration model for determine of blood glucose levels using a PDA type near-infrared spectrometer. PLSR and EGA were applied to correlate the collected three groups spectra with the blood glucose levels and this obtained best result in tight and normal range of blood glucose. Results form this study validated that It was the influence of spectrometric difference, water, Hemoglobin Alc, long-term study, body temperature and blood glucose levels range on non-invasive blood glucose monitoring by near-infrared spectroscopy. This study established several influence factors on non-invasive blood glucose monitoring by near-infrared spectroscopy and showed possibility to ensuring accuracy and reproducibility through some proposed solutions.
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