Non-invasive glucose sensing methodologies for the measurement of human blood glucose levels

Abstract

This thesis explores the innovative field of non-invasive glucose monitoring (NGM), a promising avenue for improving diabetes management by providing painless and continuous monitoring of blood glucose levels. Diabetes, a chronic condition affecting millions globally, requires effective glucose monitoring to manage complications. Traditional invasive methods, such as finger-prick tests and continuous glucose monitors, although effective, often cause discomfort and compliance issues. A key contribution of this work is the development of a Time-of-Flight (ToF)- based sensor designed for glucose detection in physiological conditions. This novel optical sensor utilizing the Time-of-Flight principle was developed and successfully demonstrated its capability to achieve adequate depth penetration and sensitivity for detecting glucose-induced optical changes in human skin. Computational simulations, including Finite Element Method (FEM) modeling and Monte Carlo simulations, were employed to optimize the sensor design and predict light-tissue interactions. Despite its promising performance, the sensor’s accuracy was influenced by factors such as hydration levels, tissue scattering, and external environmental conditions. Efforts to measure glucose using bioimpedance spectroscopy through RF scattering parameters (S11 and S21) revealed repeatable but inconclusive correlations with glucose levels. The findings underscore the potential of optical methods while highlighting the need for multi-modal systems to address the inherent limitations of individual techniques. Future research directions include integrating optical and bioimpedance sensing modalities into a unified framework, leveraging machine learning for data fusion, and reducing environmental and physiological noise. These advancements aim to achieve robust, accurate, and clinically viable non-invasive glucose monitoring systems.

Αυτή η διδακτορική διατριβή εξερευνά τον καινοτόμο τομέα της μη επεμβατικής παρακολούθησης γλυκόζης (Non-Invasive Glucose Monitoring - NGM), μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για τη βελτίωση της διαχείρισης του διαβήτη μέσω ανώδυνου και συνεχούς ελέγχου των επιπέδων γλυκόζης στο αίμα. Ο διαβήτης, μια χρόνια πάθηση που επηρεάζει εκατομμύρια ανθρώπους παγκοσμίως, απαιτεί αποτελεσματική παρακολούθηση γλυκόζης για τη διαχείριση σχετικών επιπλοκών. Οι παραδοσιακές επεμβατικές μέθοδοι, όπως οι μετρήσεις με τρύπημα δακτύλου και οι συνεχείς μετρητές γλυκόζης, αν και αποτελεσματικές, συχνά προκαλούν δυσφορία και προβλήματα συμμόρφωσης. Μια βασική συνεισφορά αυτής της εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός αισθητήρα βασισμένου στην αρχή του Χρόνου Πτήσης (Time-of-Flight - ToF) για την ανίχνευση γλυκόζης σε φυσιολογικές συνθήκες. Αυτός ο καινοτόμος οπτικός αισθητήρας που χρησιμοποιεί την αρχή του ToF αναπτύχθηκε και αποδείχθηκε επιτυχώς ότι μπορεί να επιτύχει επαρκή διείσδυση βάθους και ευαισθησία για την ανίχνευση αλλαγών που προκαλούνται από τη γλυκόζη στο ανθρώπινο δέρμα. Υπολογιστικές προσομοιώσεις, συμπεριλαμβανομένης της μεθόδου Πεπερασμένων Στοιχείων (Finite Element Method - FEM) και προσομοιώσεων Monte Carlo, χρησιμοποιήθηκαν για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του αισθητήρα και την πρόβλεψη αλληλεπιδράσεων φωτός-ιστού. Παρά την ελπιδοφόρα απόδοσή του, η ακρίβεια του αισθητήρα επηρεάστηκε από παράγοντες όπως τα επίπεδα ενυδάτωσης, η σκέδαση ιστών και οι εξωτερικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Προσπάθειες για τη μέτρηση της γλυκόζης μέσω μέτρησης βιοεμπέδησης και παραμέτρων σκέδασης RF (S11 και S21) ανέδειξαν επαναλαμβανόμενες αλλά μη πειστικές συσχετίσεις με τα επίπεδα γλυκόζης. Τα ευρήματα της εργασίας, αναδεικνύουν τη δυναμική των οπτικών μεθόδων ενώ υπογραμμίζουν την ανάγκη για πολυπαραμετρικά συστήματα που αντιμετωπίζουν τους εγγενείς περιορισμούς των μεμονωμένων τεχνικών. Οι μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις περιλαμβάνουν την ενσωμάτωση οπτικών τεχνικών και τεχνικών βιοεμπέδησης σε ένα ενιαίο πλαίσιο, την αξιοποίηση της μηχανικής μάθησης για συγχώνευση δεδομένων και τη μείωση του θορύβου που προκαλείται από περιβαλλοντικούς και φυσιολογικούς παράγοντες. Αυτές οι περαιτέρω ερευνητικές προτάσεις αποσκοπούν στην επίτευξη ανθεκτικών, ακριβών και κλινικά βιώσιμων συστημάτων μη επεμβατικής παρακολούθησης γλυκόζης.