《Optics & Laser Technology》：Sensing changes in triglyceride concentration in blood solution using diffuse optical spectroscopy
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本研究采用连续波漫反射光谱法（CW-DOS）非侵入式监测血液中甘油三酯（TG）浓度变化，通过蒙特卡洛模拟及phantom、ex vivo和in vivo实验验证其可行性。结果显示，885 nm处信号振幅与TG浓度呈线性负相关，证实该技术可用于高甘油三酯血症诊断及干预效果评估。
梁思琪|万楠|陈国|陈松良|宋明洙
湖南科技大学信息与电气工程学院，湘潭411201，中国
摘要
甘油三酯（TG）是血液中的一种基本脂质成分。虽然TG在体内起着重要作用，但当其水平升高超过150 mg/dL时，会显著增加患多种疾病的风险，尤其是心血管疾病。监测TG浓度对于评估降低TG浓度的干预措施的有效性以及诊断高甘油三酯血症（HTG，TG浓度≥200 mg/dL）至关重要。尽管存在多种TG浓度监测技术，但传统方法通常需要样本采集和/或样本预处理，或者缺乏便携性。鉴于TG浓度监测的重要性，本研究致力于探索利用漫反射光谱技术监测血液中TG浓度变化的可行性。为了验证这一方法的可行性，我们进行了一系列蒙特卡洛模拟实验。随后，使用连续波漫反射光谱（CW-DOS）测量了含有不同TG浓度的混合物样品以及血红蛋白溶液（用于幻影实验）或羊血（用于体外实验），以实验证明漫反射光谱技术监测TG浓度变化的能力。结果表明，在885 nm波长下，随着TG浓度的增加（最高达到800 mg/dL），CW-DOS信号的幅度呈线性下降。此外，我们还进行了体内小鼠实验，包括一个接受生理盐水的对照组（n=5）和一个接受triton WR-1339处理的实验组（n=5），进一步证明了该技术的适用性。我们的研究结果表明，CW-DOS作为一种无创且可长期使用的工具，具有监测TG浓度的潜力，有助于诊断HTG并评估降低个体TG水平的干预措施的效果。
引言
甘油三酯（TG）是一种存在于血液中的必需天然脂肪，负责通过血管输送膳食脂肪[1]。TG浓度水平分为正常（TG浓度<150 mg/dL）、临界值（150 mg/dL ≤ TG浓度≤199 mg/dL）和高水平（200 mg/dL ≤ TG浓度），后者被称为高甘油三酯血症（HTG）[1]。虽然TG是血液中的基本成分，但其水平升高会增加多种疾病的风险，包括动脉粥样硬化性心血管疾病、低度炎症、胰腺炎和阿尔茨海默病，这是由于内皮功能和脂质代谢异常所致[[2], [3], [4]]。因此，无论HTG的根本原因是什么，无论是遗传问题、饮食习惯还是其他疾病的并发症，都需要采取适当的干预措施（如生活方式改变或医疗治疗）来将TG浓度降至正常水平。监测TG浓度对于诊断HTG和评估降低TG水平的干预措施的效果至关重要。
鉴于监测TG浓度的重要性，已有大量相关研究致力于这一领域。其中最广泛研究的方法包括电化学传感器、导电聚合物传感器、金属氧化物传感器和中红外光纤传感器[1,5]。虽然传统的基于生物传感器的方法可以提供准确的TG浓度测量，但样本采集和预处理的必要性限制了使用现有传感器进行连续或重复测量TG浓度的可能性。此外，这些传感器的制造过程相对复杂，这也是一个缺点。这些局限性凸显了开发新技术以应对TG浓度监测挑战的必要性。
为满足这一需求，一些涉及光学技术的研究展示了无需样本采集即可监测TG浓度的潜力。在这些研究中，各种空间频率域成像（SFDI）技术作为脂质监测的有希望的方法脱颖而出[[6], [7], [8]]。不同波长的红外光照射下的SFDI系统能够通过皮肤无创地定量测量血液中的脂质和水浓度。尽管SFDI系统具有潜力，但由于硬件体积庞大和系统配置复杂，其实际应用仍面临挑战。因此，开发便携版本的SFDI系统存在障碍。与此同时，我们最近探索了光声显微镜（PAM）在TG浓度监测中的应用[9]，发现PAM信号的幅度随TG浓度的增加而增加。尽管已经证明了PAM在监测血红蛋白（Hb）和TG混合物以及羊血和TG混合物中TG浓度变化方面的可行性，但PAM研究使用了体积庞大、功率高的脉冲激光器，并且需要接触式测量以实现超声波耦合，这阻碍了其临床应用。因此，需要进一步研究以促进PAM在临床环境中的应用。
认识到TG浓度监测的技术空白，我们提出了漫反射光谱（DOS）作为一种有前景的解决方案。DOS包括多种模式，如连续波DOS（CW-DOS）[[10], [11], [12]]、空间分辨DOS（SR-DOS）[[13], [14], [15]]、频域DOS（FD-DOS）[16,17]和时域DOS（TD-DOS）[18,19]。在本研究中，我们使用CW-DOS来估计TG浓度的变化。在此之前，一些研究已经从理论上或实验上利用了CW-DOS的概念，可能用于估计TG浓度[[20], [21], [22]]。Iinaga等人在他们的初步研究中使用了两个光源-探测器对来估计血液中的TG[20]。他们使用了一个提出的模型来估计减少的散射系数作为TG的指标。然而，尽管在模型中需要吸收系数来估计减少的散射系数，但并未明确说明如何估计该系数。同时，Liang和Shimizu使用了一种带有斩波器和锁相放大器的准连续波DOS来估计嵌入组织模拟物中的减少散射系数，并声称该系数可以作为TG浓度的指标[21]。与Iinaga等人的研究类似，Liang和Shimizu也在他们的研究中使用了多个光源-探测器对和固定的吸收系数。随后，Liang等人改进了Liang和Shimizu开发的算法，通过使用多个光源-探测器对的光学测量数据同时估计吸收系数和减少的散射系数，使其更加实用[22]。然而，Liang等人的研究仅进行了蒙特卡洛模拟来验证可行性。之前的研究需要多个光源-探测器对和额外的信号处理来估计作为TG浓度指标的减少散射系数。与以往的研究不同，我们尝试直接使用单个光源-探测器对的漫反射作为TG浓度变化的指标。利用激光二极管或LED作为光源和光电二极管作为探测器，CW-DOS可以作为一个便携式系统实现连续信号监测。为了确认漫反射光谱监测TG浓度变化的可行性，我们使用与本研究中使用的样品和DOS系统类似的配置进行了蒙特卡洛模拟。然后，使用含有Hb溶液和TG的混合物以及均匀的猪皮周围介质进行了幻影实验，以验证其监测TG浓度的可行性。还进行了使用羊血和TG混合物以及猪皮周围介质的体外实验，代表了更接近临床环境的条件。此外，还进行了体内小鼠实验以研究该技术的实际应用性。结果表明，DOS系统能够实现无创且连续的TG浓度监测，为未来的临床应用带来了希望。
蒙特卡洛模拟
为了验证在浑浊介质中监测TG浓度变化的漫反射光谱技术的可行性，我们使用了基于MATLAB的开源蒙特卡洛模拟工具MCXLAB（具体版本为MATLAB R2019b，Mathworks）[23]进行了蒙特卡洛模拟。模拟在配备i7-12700 K CPU（Intel）、64 GB RAM和Nvidia RTX 3090（Gigabyte）的PC上运行，并使用了自定义的MATLAB脚本。
蒙特卡洛模拟
图3显示了蒙特卡洛模拟的结果。无论Hb浓度如何，TG浓度的增加都会导致归一化漫反射率的下降，这可以归因于管内整体吸收系数的增加。值得注意的是，Hb浓度的变化仅影响了整体漫反射率（图3(a)），而没有改变随着TG浓度增加而反射率下降的趋势。
讨论
在这项研究中，我们成功证明了CW-DOS能够监测TG浓度的变化。为了全面验证DOS在长期监测TG浓度变化方面的可行性，我们结合了蒙特卡洛模拟以及幻影实验、体外实验和体内实验。为了模拟手臂或手部皮肤下静脉的体内测量条件，我们使用了含有不同TG浓度的羊血混合物进行了实验。
结论
总之，我们展示了使用最简单的DOS配置（CW-DOS）监测TG浓度变化的能力，该配置包括一个连续宽带光源和光谱仪。通过蒙特卡洛模拟以及使用幻影和体外样本（特别是含有嵌入猪皮周围介质中的羊血和TG混合物的样本）的实验，我们证明了漫反射光谱监测TG浓度变化的可行性。
作者贡献声明
梁思琪：撰写——原始草稿、验证、软件开发、方法论设计、数据整理。万楠：方法论设计、实验设计、数据分析、概念化。陈国：方法论设计、实验设计、数据分析、概念化。陈松良：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、资金申请、数据分析。宋明洙：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、数据可视化、监督、方法论设计、实验设计、数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究部分得到了西安交通大学-利物浦大学研究发展基金（RDF-23-01-119）、江苏省自然科学基金（BK20220603）、国家自然科学基金（62235013和82130057）、上海市科学技术委员会（20DZ2220400和2021SHZDZX）、湖南省自然科学基金（2025JJ70638）以及湖南省教育厅科研基金的支持。
