RESE DESIGN AND METHODS
Noninvasive glucose monitor technology
De technologie die voor het glucosemeettoestel wordt gebruikt, is gebaseerd op het principe dat het menselijk lichaam van nature sterke elektromagnetische straling in het micrometer-golflengtegebied uitzendt en op de ontdekking dat deze straling spectrale informatie van weefselanalyten bevat. Hoewel deze gepatenteerde technologie toepassingen heeft voor het meten van de niveaus van verschillende stoffen in het menselijk lichaam, is het aanvankelijke plan om deze te gebruiken in een BG-monitor vanwege de grote onvervulde behoefte om de huidige meetmethoden te vervangen.
Het menselijk lichaam zendt sterke elektromagnetische straling uit. De wetten van de natuurkunde stellen dat alle voorwerpen IR-straling uitzenden en dat de intensiteit van de straling en de spectrale kenmerken van het voorwerp worden bepaald door zijn absolute temperatuur en door de eigenschappen en toestanden van het voorwerp.
De wet van Planck (19) beschrijft een verband tussen de stralingsintensiteit, de spectrale verdeling, en de temperatuur van het blackbody. Het menselijk lichaam is een uitstekende blackbody-emitter van mid-IR-licht in precies het juiste spectrale gebied. De spectrale karakteristiek van de thermische emissie wordt beïnvloed door de weefselsamenstelling en de analytconcentraties van het individu. De wet van Kirchhoff bevestigt dat voor het gehele lichaam bij dezelfde temperatuur en bij dezelfde golflengte de absorptiviteit gelijk is aan de monochromatische emissiviteit.
Sensoren voor analytmetingen moeten de vereiste gevoeligheid en selectiviteit, steriliseerbaarheid en stabiliteit op lange termijn bezitten. Spectroscopische sensoren kunnen aan al deze eisen voldoen. Van de verschillende spectrale gebieden biedt mid-infraroodspectroscopie een grotere gevoeligheid en selectiviteit vanwege de informatie-inhoud van het vingerafdrukgebied. De selectiviteit van deze technologie is gebaseerd op hetzelfde principe als de selectiviteit van de absorptiespectroscopiemethode voor analytmetingen. Glucose heeft zeer goed gedefinieerde spectrale kenmerken in het fingerprint IR-gebied, zoals blijkt (bijvoorbeeld uit de studies van Heise et al. en Vonach et al. en in onze plasma thermische emissiespectra plots Fig. 2).
In een eenvoudige experimentele opstelling kan men aantonen dat emissie van glucose kan worden gedetecteerd met behulp van detectoren op kamertemperatuur in een opstelling op basis van filters. Een speciaal ontworpen niet-dispersieve filter-gebaseerde spectrometer (Fig. 1) voerde absorptie- en emissiemetingen uit. Een filterspectrometer heeft het voordeel van eenvoud, een hoge signaal-ruisverhouding, hoge verwerkingscapaciteit, en lage kosten. De draaibare filterwielen met karakteristieke transmissiecurven genereren, wanneer ze in de lichtweg worden geplaatst, variabele doorlaatbanden met lage resolutie. Als filter gebruikten we een rond variabel IR-filter, segment #3, gemaakt door het Optical Coating Laboratory, met een transmissieband van 7,7 tot 14,1 μm. De IR-straling werd opgevangen door een IR-golfgeleider, gemaakt van een buis met een vergulde binnenzijde, die de IR-straling in een variabel filter leidde dat zich zeer dicht bij het filter bevond. Aan de andere kant van het filter werd een thermopildetector (Perkin Elmer/Heineman model TPS 434) geplaatst op de optische as van de golfgeleider, zeer dicht bij het filteroppervlak. De combinatie van golfgeleider diameter, opening gat van de detector, en de dimensie van zijn gevoelige gebied uitgevoerd als een spleet in de standaard spectrometrie met <0,2μm spectrale resolutie. Nuttige informatie over spectrale gegevens werd gevonden in het bereik van 9-13 μm, dankzij de combinatie van het randeffect aan de uiteinden van het filter en de resolutie als gevolg van de spleetbreedte. Van ten minste zes spectra werd het gemiddelde genomen, en de Fourier-procedure met zespuntsafvlakking werd gebruikt om snelle ruis uit het spectrum te verwijderen. Zowel transmissie- als emissiespectra (na correctie voor de thermische achtergrondemissie van het instrument) werden gedeeld door de theoretische blackbody-stralingsintensiteit, wat waarden opleverde die evenredig waren met de absorptiecoëfficiënt en de monochromatische emissiviteit. De gemeten veranderingen in monochromatische emissiviteit lagen in het bereik van 10-4, nog steeds boven de ruisgrens van het systeem. Ter vergelijking toont Fig. 2A de thermische IR-emissiespectra (bij 41°C) van glucose in een KBr-tablet (kaliumbromide) met een transmittantiespectrum (onderste curve). Zelfs met deze spectra van slechte kwaliteit kunnen overeenkomstige glucose-absorptiebanden worden waargenomen, bv. een hoofdband bij 9,6 μm, een band bij 10,9 μm (die overeenkomt met de 914 cm-1 trillingstoestand van glucose), en een zwakkere band rond 12 μm. Men kan een typisch spiegelbeeld opmerken tussen de transmissie- en emissiespectrums. Het zuivere glucose IR spectrum wijst op fundamentele glucose signatuur spectrale banden.
Thermische IR emissie karakteristieken van verschillende glucose concentraties in water en menselijk plasma oplossingen werden gemeten. Voor zover wij weten, is dit de eerste keer dat dergelijke metingen zijn gerapporteerd. De resultaten voor menselijke plasma IR-emissie bij 37 ° C worden getoond in Fig. 2B. Deze figuur benadrukt twee belangrijke kenmerken: ten eerste toont het het spectrale gebied van belang en ten tweede presenteert het experimenteel bewijs van de thermische emissie detectiecapaciteit van de huidige kamertemperatuur IR detectoren. Deconvolutie toont banden die gevoelig en ongevoelig zijn voor veranderingen in de glucoseconcentratie in menselijk plasma. Voor de duidelijkheid zijn de spectra langs de verticale as naar boven verschoven. De resultaten van de deconvolutie in de ingevoegde tabel tonen veranderingen in piekintensiteit versus glucoseconcentratie. Ook hier kan men in de emissie de overeenkomstige banden van glucose-absorptie waarnemen, b.v. een hoofdband bij 9,8 μm, een band bij 10,9 μm (overeenkomend met de 914 cm-1 vibratietoestand van glucose), en een zwakkere band rond 11,9 μm.
Thermische straling van het menselijk lichaam bevat informatie over spectrale kenmerken van het object en wordt bepaald door de absolute lichaamstemperatuur en door de eigenschappen en toestanden van de uitstralende lichaamsweefsels. Men kan dus concluderen dat de spectrale kenmerken van bloed met verschillende glucosegehaltes (of andere analyten) de emissiviteit van het trommelvlies zullen veranderen en het mogelijk zullen maken de glucoseconcentratie in het bloed te meten.
Het trommelvlies bevindt zich in een uitstekende positie om de lichaamstemperatuur te meten omdat het zijn bloedtoevoer deelt met de hypothalamus, het centrum van de regeling van de lichaamstemperatuur. Een tympanische thermometer meet de integrale intensiteit (over alle golflengten) van de IR-thermische straling. Een sensor die in de gehoorgang wordt ingebracht, kan een duidelijk zicht krijgen op het membraan en zijn bloedvaten om de hoeveelheid IR-straling te meten die het membraan uitzendt. In vergelijking met de theoretische blackbodystraling die door de wetten van Planck en Kirchhoff wordt beschreven, wordt deze IR-straling spectraal gewijzigd door de samenstelling van het weefsel. Zo heeft de IR-straling spectrale kenmerken van bijvoorbeeld bloed in het trommelvlies.
In dit instrument werden de spectrale kenmerken van verschillende bestanddelen van bloed gescheiden met behulp van analytisch-chemische spectroscopiemethoden. Het instrument berust op het gebruik van IR-filters die voor IR-detectorvensters zijn geplaatst. Eén filter passeert straling door de thermische emissiebanden met glucose-kenmerken en wordt in één van de IR-detectorvensters geplaatst, terwijl het andere IR-detectorvenster wordt bedekt door een filter dat straling kan doorlaten die geen emissiebanden bevat die kenmerkend zijn voor de analyt bij golflengten in het interessegebied. Vergelijking van de stralingsintensiteit tussen de twee detectorvensters (zie fig. 3) levert een meting op die evenredig is met de analytconcentratie en gecorreleerd kan worden met de concentratie van BG.
Figuur 3 toont een vereenvoudigd schema van het instrument. Het instrument ontvangt optisch IR-straling van het objectdoel, zoals een tympanisch membraan. Het detectiesysteem bestaat uit een optisch IR-filter en een thermopile detector die gevoelig is in het IR-gebied van de straling van het menselijk lichaam. Een van de sensorelementen wordt bedekt door een IR-filter dat gevoelig is voor IR-glucosesignatuur, terwijl een geschikt filter dat geen spectrale banden heeft die kenmerkend zijn voor de gemeten analyt, het andere sensorgebied bedekt. In ons prototypeontwerp werd een zogenaamd quasi-isosbestpunt op ongeveer 8,5 μm voor referentie-emissie-intensiteitsmetingen en 9,6 μm voor glucose-signatuurmetingen gebruikt. Spectraal gemodificeerde IR-straling van het tympanisch membraan verlicht beide vensters. Het verschil van de stralingsintensiteit tussen de twee straling paden geeft een maat evenredig met de analyt concentratie.
Clinical studie ontwerpen
De University of Connecticut Institutional Review Board goedgekeurd de studie, en alle proefpersonen gaven schriftelijke geïnformeerde toestemming voor deelname. In totaal werden 5 vrouwen en 26 mannen met insuline-behoeftige diabetes, variërend in leeftijd van 18 tot 75 jaar, ingeschreven. Twee proefpersonen werden uitgesloten van deelname. De ene had een slechte veneuze toegang en de andere had een serumglucoseconcentratie >400 mg/dl aan het begin van de studie en vereiste medische behandeling. Gekoppelde glucosemetingen van de eerste 23 proefpersonen werden gebruikt om de niet-invasieve monitormeting van de tympanische membraanglucoseconcentratie te kalibreren met de serumglucoseconcentratie uit een antecubitale vene. Deze kalibratie werd vervolgens getest door de tympanische membraanglucoseconcentraties bij zes proefpersonen te vergelijken met de serumglucoseconcentraties.
Op de ochtend van het onderzoek bleven de proefpersonen hun gebruikelijke medicijnen gebruiken, maar namen ze geen insuline en aten ze geen ontbijt. De gehoorgang van elke proefpersoon werd onderzocht om te controleren of het trommelvlies vrij was van cerumen. Bij vier proefpersonen werd warm water gebruikt om cerumen te verwijderen dat het trommelvlies occludeerde. Een intraveneuze lijn werd geplaatst in een antecubitale ader en open gehouden met 0,45% zoutoplossing. Bij 0 min en bij elke 10 min voor een totaal van 210-250 min, werd 3 ml bloed afgenomen voor het meten van serum glucose concentratie. Een meting van de tympanische membraan glucoseconcentratie werd onmiddellijk na voltooiing van de flebotomie uitgevoerd. De gebruikelijke langwerkende insuline van de proefpersoon werd toegediend op 0 min, een koolhydraat-consistent dieetontbijt werd toegediend op 30 min, en de gebruikelijke insulinebolus van de patiënt werd toegediend op 90 min. Bij de proefpersonen die normaliter geen insulinebolus gebruikten, werd de bolus door de toezichthoudende arts bepaald in een poging de serumglucoseconcentratie tegen het einde van de studie te normaliseren. De superviserende arts was op de hoogte van de resultaten van de serumglucosemetingen en deed klinisch passende interventies bij serumglucoseconcentraties >400 mg/dl of <60 mg/dl. De omgevingstemperatuur werd tussen 18 en 25°C gehouden. De mondtemperatuur van de proefpersoon, de kamertemperatuur en de vochtigheid in de kamer werden geregistreerd bij 0 min en om de 30 min tot het einde van het onderzoek. Het bereik van de relatieve vochtigheid in de kamer lag tijdens de experimenten tussen 20 en 60%. Metingen van de IR oortemperatuur werden 2 min na elke glucosemeting uitgevoerd. De verpleegster die de metingen uitvoerde was blind voor de tympanische membraan serum glucoseconcentraties.
Er werden in totaal 432 gepaarde datapunten van 20 proefpersonen gebruikt voor de kalibratie van de tympanische membraan glucoseconcentratie met de serum glucoseconcentratie. Een getrainde verpleegkundige voerde de metingen van de tympanische membraanglucoseconcentratie uit bij 19 van deze proefpersonen. Vier proefpersonen waren opgeleid en voerden de metingen van de tympanische membraanglucoseconcentratie bij zichzelf uit. Twee monitors waren beschikbaar voor gebruik. In de kalibratiemodus werd de primaire monitor voor 16 proefpersonen gebruikt. De reservemonitor werd voor vier proefpersonen gebruikt.
De resultaten van drie proefpersonen werden niet in de kalibratieanalyse opgenomen. De resultaten van één proefpersoon die zijn eigen metingen uitvoerde en van twee andere proefpersonen (waarbij de metingen door een verpleegkundige werden uitgevoerd) werden verworpen omdat de meetwaarden niet voldeden aan de criteria voor de aanvaardbaarheid van de gegevens van niet-invasieve instrumenten (zie methoden voor gegevensanalyse). De primaire monitor werd gebruikt voor deze drie proefpersonen. Na kalibratie van het niet-invasieve apparaat werd het onderzoeksprotocol op een blinde prospectieve manier uitgevoerd bij zes proefpersonen die allemaal de primaire monitor gebruikten. De waarnemer die de tympanische membraanglucoseconcentratie rapporteerde en de waarnemer die het rapport van de serumglucoseconcentratie ontving, waren blind voor de resultaten van de aanvullende meting. Alle gerapporteerde datapunten werden opgenomen in de gegevensanalyse van de zes prospectief bestudeerde proefpersonen.
Gegevensanalysemethoden
De studies van de niet-invasieve glucosemeter werden in twee delen verdeeld. In het eerste deel werd de meter gekalibreerd aan de hand van een niet-lineair regressiemodel met gegevens van de eerste groep proefpersonen. In het tweede deel werden de prospectieve studies uitgevoerd ter validatie van de kalibratie en de gebruikte methode.
In het eerste deel van het experiment had de waarnemer die de tympanische membraanglucoseconcentratie rapporteerde, toegang tot zowel de invasieve als de niet-invasieve metingen. Voor de kalibratie van de monitor werden gegevens van 23 proefpersonen (511 gepaarde datapunten) verzameld. Tijdens de analyse van de kalibratiegegevens werd vastgesteld dat bij drie proefpersonen >50% van de metingen (22-25 metingen werden bij één proefpersoon uitgevoerd) een instrumentfout vertoonde, terwijl er bij de andere proefpersonen geen of minder dan een paar fouten optraden. Een instrumentfout werd aangegeven als een signaal van de monitordetector niet vloeiend was (de interne waarde van een signaal van de detector verandert >20% voor sommige van de 60 opeenvolgende gemeten datapunten per enkele plaatsing van de monitor in de gehoorgang van de proefpersoon) of als het signaal van de detector buiten het bereik lag zoals gedefinieerd in de afhankelijkheid van de omgevingstemperatuur en de luchtvochtigheid in de ruimte. De foutencluster voor deze drie proefpersonen suggereerde een fundamentele fout als gevolg van een medische (bv. mogelijke spectrale interferentie van andere analyten waarvoor speciaal ontworpen onderzoek nodig is of een niet rechte of niet goed gespannen gehoorgang) of meetprocedure (de gehoorgang was niet goed afgesloten door de meetpunt van het toestel, de meetpunt was niet langs de as van de gehoorgang en het trommelvlies geplaatst, of er was sprake van een fout in de techniek van de bediener bij het uitvoeren van de metingen). Deze drie proefpersonen werden geëlimineerd als gegevensinvoer voor de kalibratie. Voor de uiteindelijke kalibratie werden 20 proefpersonen gebruikt (in totaal 432 gepaarde datapunten zonder instrumentfouten), waarbij een instrumentfout werd aangegeven voor 13 datapunten (2,9% van in totaal 445 punten). Op basis van de kalibratieresultaten werd een poweranalyse van de bovenstaande gegevens uitgevoerd door een statisticus van het University of Connecticut Health Center, die aangaf dat er vier tot zes proefpersonen nodig zijn om een voorspellende modus van metingen te produceren voor de validatie van de kalibratie van de niet-invasieve glucosemeter.
In het tweede deel van het experiment werden volledig voorspellende metingen uitgevoerd. De waarnemer die de tympanische membraanglucoseconcentratie rapporteerde, was blind voor de resultaten van de laboratoriumserumglucoseconcentraties. De schattingen met zowel invasieve als niet-invasieve methoden werden onafhankelijk van elkaar gemaakt. Bij de zes proefpersonen gaf het instrument vier meetfouten aan (3,1% op een totaal van 130 gepaarde datapunten). Zodra een schatting was gemaakt en gerapporteerd, werden geen punten verworpen. Met dit tweede deel werd beoogd de reproduceerbaarheid van de methodologie aan te tonen zodra de kalibratie van de glucosemeter was vastgesteld.
Een laatste statistische analyse van de resultaten van de niet-invasieve BG-monitoronderzoeken werd uitgevoerd met behulp van een fout-in-variabelenmethode (ook wel “orthogonale regressie” genoemd). Gewone kleinste kwadratenregressie gaat ervan uit dat alleen de y-coördinaatmetingen gepaard gaan met willekeurige meetfouten. Het is vaak het geval dat onzekerheden in gegevens zowel bij de x- als de y-coördinaten liggen. Dit is het geval wanneer zowel x als y waargenomen grootheden zijn en dus bekend is dat er fouten in zitten. Het error-in-variables model houdt rekening met meetfouten voor beide sets van metingen. Dergelijke modellen zijn onder meer Deming (20), de methode van Passing en Bablok (21), en orthogonale regressie. De Deming-methode vereist specificatie van de verhouding tussen de gekwadrateerde SD’s voor twee waargenomen grootheden, maar staat niet toe dat verschillende SD’s worden gebruikt over het bereik van x of y gemeten grootheden. De meeste orthogonale regressieprocedures verdelen de fouten gelijkelijk over x- en y-coördinaten. In deze analyse van niet-invasieve monitorstudies is gebruik gemaakt van de orthogonale regressiemethode op basis van een door Reilly et al. beschreven algoritme (22). Met bovenstaand model kan de meetfout voor beide assen over het gehele bereik van de gemeten grootheden worden ingevoerd.
Laboratoriumserumglucosemetingen
Laboratoriumserumglucoseconcentratie werd bepaald met behulp van de zuurstofverbruikssnelheidmethode met behulp van een zuurstofelektrode (Synchron LX20 Instrument; Beckman Instruments, Brea, CA). De door het klinisch laboratorium van het University of Connecticut Health Center verstrekte SD’s voor laboratoriummetingen zijn als volgt: voor kwaliteitscontroleniveau 1 (QC1) met een gemiddelde BG van 61 mg/dl, SD = ±2 mg/dl; voor QC2 met een gemiddelde BG van 120 mg/dl, SD = ±4 mg/dl; en voor QC3 met een gemiddelde BG van 373 mg/dl, SD = ±11 mg/dl. De relatieve fout over het gehele bereik van glucoseconcentraties bedroeg ongeveer ±3,3%.