[論文レビュー] Study of Correlation Between Glucose Concentration and Reduced Scattering Coefficients in Turbid media using Optical Coherence Tomography

Raju Poddar, Shubha Rani Sharma+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2008

Optical Coherence Tomography Applications参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、光学干渉断層画像法（OCT）を用いて、不透明媒体におけるブドウ糖濃度と縮小散乱係数との非侵襲的相関関係を確立した。屈折率の不一致と、デコンボリューション処理を施した干渉信号に対するモンテカルロシミュレーションを活用することで、血液採取を伴わない体内でのブドウ糖モニタリングが可能な測定可能な関係を著者らは示した。

ABSTRACT

Noninvasive, non-contact and in vivo monitoring of blood glucose is a long-needed pathology tool for saving patients from the recurring pain and hassle that can accompany conventional blood glucose testing methods. Optical coherence tomography known for its high axial resolution imaging modality is adopted in this article for monitoring glucose levels in tissue-like media, non-invasively. Making use of changes in reduced scattering coefficient due to refractive-index mismatch between the extracellular fluid and the cellular membranes and armed with a theoretical model, we establish a correlation between the glucose concentration and reduced scattering coefficient. The scattering coefficients are extracted from the deconvoluted interference signal using Monte Carlo simulation with valid approximations. A program code using NI LabVIEW™ has been developed for automation of the experiment, data acquisition and analysis.

研究の動機と目的

• 痛みを伴う従来の方法に代わる、体内での非侵襲的血液ブドウ糖モニタリング法の開発を目的とする。
• 不透明な生物学的媒体におけるブドウ糖濃度と光学的散乱特性との関係を調査することを目的とする。
• 光学干渉断層画像法（OCT）を用いて、組織模倣媒体における高分解能・非接触型ブドウ糖センシングを実現することを目的とする。
• ブドウ糖に起因する縮小散乱係数の変化と屈折率の不一致との間の理論的モデルを確立することを目的とする。
• 実験の再現性と効率性を高めるために、NI LabVIEW™を用いたデータ取得と解析の自動化を目的とする。

提案手法

• 不透明な媒体から生物学的組織を模倣した状態で、光学干渉断層画像法（OCT）を用いて高軸分解能の干渉信号を取得する。
• 細胞膜と細胞外液の間の屈折率の不一致を介して、縮小散乱係数の変化をブドウ糖濃度と関連付ける。
• デコンボリューション処理を施した干渉信号に対してモンテカルロシミュレーションを適用し、物理的妥当な近似のもとで散乱係数を抽出する。
• 独自に開発したLabVIEW™プログラムにより、データ取得、信号処理、解析を自動化し、一貫性のある実験実行を実現する。
• 理論的モデリングにより、媒体内におけるブドウ糖に起因する屈折率変動が散乱に与える依存関係を予測する。
• 本手法は、OCT Aスキャンからの光学信号のデコンボリューションおよび散乱係数抽出に依存し、ブドウ糖濃度を推定することに特化している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不透明媒体におけるブドウ糖濃度は、OCTを用いて縮小散乱係数の変化と相関付けることができるか？
• RQ2 細胞膜と細胞外液の間の屈折率の不一致は、ブドウ糖含有媒体における散乱にどのように影響を与えるか？
• RQ3 この文脈において、モンテカルロシミュレーションはOCT干渉信号から散乱係数をどれほど正確に抽出できるか？
• RQ4 LabVIEW™を用いた自動化は、ブドウ糖センシング用途における一貫性のあるデータ取得と解析を信頼性高くサポートできるか？
• RQ5 光学的散乱の変化に基づく、OCTを用いた非侵襲的・リアルタイムのブドウ糖モニタリングの実現可能性はどの程度か？

主な発見

• OCTを用いた不透明媒体におけるブドウ糖濃度と縮小散乱係数との間に測定可能な相関関係が確立された。
• 理論的モデリングにより、ブドウ糖の変化に起因する屈折率の不一致が、組織模倣媒体における散乱挙動を変化させることを確認した。
• モンテカルロシミュレーションは、デコンボリューション処理を施したOCT信号からの散乱係数抽出に対して妥当な近似を提供した。
• LabVIEW™を用いた自動化システムにより、再現性があり効率的なデータ取得と解析が可能となった。
• ブドウ糖に起因する光学的散乱の変化を活用することで、OCTを用いた非侵襲的体内ブドウ糖モニタリングの実現可能性が裏付けられた。