Non-invasive Blood Glucose Detection System Using Combined Visible and Near-Infrared Spectral Data

मधुमेह के साथ जीने वाले लाखों लोगों के लिए, जीवन की दैनिक लय एक तीखे, परिचित दर्द से बाधित होती है: रक्त की एक बूंद निकालने के लिए उंगली में चुभने वाला दर्द। यह छोटा सा घाव रक्त में शर्करा (शुगर) के स्तर की जांच करने के लिए आवश्यक है, जो एक महत्वपूर्ण संख्या है जो यह तय करती है कि व्यक्ति को इंसुलिन, भोजन या आराम की आवश्यकता है या नहीं। हालांकि आधुनिक तकनीक ने त्वचा के नीचे स्थित उपकरणों के साथ इस प्रक्रिया को कम आक्रामक बना दिया है, लेकिन आदर्श समाधान लंबे समय से वह रहा है जिसमें बिल्कुल भी रक्त, कोई सुई और कोई असुविधा न हो। वैज्ञानिक दशकों से इस लक्ष्य के पीछे भाग रहे हैं, प्रकाश का उपयोग करके त्वचा के माध्यम से शरीर के रसायन विज्ञान को पढ़ने के तरीकों की खोज कर रहे हैं। चुनौती इस तथ्य में निहित है कि रक्त शर्करा शरीर के ऊतकों के भीतर गहराई में छिपी होती है, जो पानी, वसा और रक्त से घिरी होती है, और ये सभी प्रकाश के साथ जटिल तरीके से परस्पर क्रिया करते हैं। शर्करा को खोजने के लिए, एक सेंसर को अन्य जैविक परिवर्तनों, जैसे कि व्यक्ति कितना हाइड्रेटेड है या उसकी त्वचा कितनी गर्म महसूस होती है, के शोर भरे बैकग्राउंड से इसके धुंधले संकेत को अलग करना होगा।

दक्षिण कोरिया के शोधकर्ताओं की एक टीम ने दृश्य और अदृश्य प्रकाश के संयोजन का उपयोग करके एक उपकरण बनाकर इस दर्द रहित भविष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। रक्त निकालने के बजाय, उनका सिस्टम व्यक्ति की उंगली के पोर पर विशिष्ट रंगों का प्रकाश डालता है और यह मापता है कि वह प्रकाश कैसे वापस परावर्तित होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि मानक दृश्य रंगों और विशिष्ट अदृश्य इन्फ्रारेड तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) के मिश्रण का उपयोग करके, वे त्वचा की आंतरिक स्थिति की एक विस्तृत तस्वीर कैप्चर कर सकते थे। इसके बाद उन्होंने इस जानकारी को एक कंप्यूटर प्रोग्राम में डाला जो पैटर्न पहचानने के लिए प्रशिक्षित था, जिससे यह रक्त शर्करा के स्तर का उच्च सटीकता के साथ अनुमान लगाने में सक्षम हुआ। परिणाम बताते हैं कि यह महत्वपूर्ण स्वास्थ्य मेट्रिक की निगरानी बिना त्वचा को छेड़े करना संभव है, जो एक ऐसे भविष्य की झलक देता है जहाँ मधुमेह प्रबंधन निरंतर और पूरी तरह से दर्द रहित होगा।

इस नई प्रणाली का मूल एक छोटा सेंसर मॉड्यूल है जो एक कॉम्पैक्ट इलेक्ट्रॉनिक बॉक्स जैसा दिखता है, जिसे उंगली के पोर पर रखा जाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इसके अंदर लाइट-एमिटिंग डायोड (LEDs) का एक सेट होता है, जो छोटे टॉर्च की तरह काम करते हैं। ये रोशनी केवल एक सफेद किरण नहीं है; इन्हें सावधानीपूर्वक चुना गया है जिसमें लाल, हरा और नीला दृश्य प्रकाश, साथ ही तीन विशिष्ट बैंड निकट-इन्फ्रारेड प्रकाश के शामिल हैं जो मानव आंखों के लिए अदृश्य हैं। शोधकर्ताओं ने इन विशिष्ट अदृश्य तरंग दैर्ध्यों को इसलिए चुना क्योंकि वे त्वचा में अलग-अलग गहराई तक प्रवेश करते हैं। कुछ प्रकाश सतह से टकराकर वापस आता है, जबकि अन्य बीम ऊतकों में गहराई तक जाते हैं, उन रक्त वाहिकाओं और तरल पदार्थ तक पहुँचते हैं जहाँ शर्करा घुली होती है। जब प्रकाश त्वचा से टकराता है, तो यह बिखर जाता है और पानी, रक्त और ग्लूकोज सहित विभिन्न घटकों द्वारा आंशिक रूप से अवशोषित कर लिया जाता है। सेंसर इस लौटते हुए प्रकाश को कैप्चर करता है और इसे एक विस्तृत स्पेक्ट्रम में तोड़ देता है, जिससे उस विशिष्ट क्षण के लिए एक अनूठा सिग्नेचर बनता है।

इस जटिल डेटा को समझने के लिए, शोधकर्ता सरल गणनाओं पर निर्भर नहीं थे। इसके बजाय, उन्होंने मशीन लर्निंग नामक एक परिष्कृत कंप्यूटर तकनीक का उपयोग किया, जो एक प्रोग्राम को निश्चित नियमों का पालन करने के बजाय उदाहरणों से सीखने की अनुमति देती है। उन्होंने दस वयस्क स्वयंसेवकों से डेटा एकत्र किया, जिसमें स्वस्थ व्यक्ति और मधुमेह वाले लोग दोनों शामिल थे। कई दिनों तक, इन प्रतिभागियों ने भोजन किया, और शोधकर्ताओं ने भोजन से पहले और बाद में माप लिए ताकि कम से कम उच्च स्तर तक रक्त शर्करा की एक विस्तृत श्रृंखला को कैप्चर किया जा सके। साथ ही, स्वयंसेवकों ने एक मानक मेडिकल डिवाइस पहना था जो रक्त शर्करा को लगातार मापता है, जिससे नए सिस्टम की सटीकता की जांच के लिए एक विश्वसनीय संदर्भ बिंदु प्राप्त हुआ। कंप्यूटर प्रोग्राम ने हजारों डेटा बिंदुओं का विश्लेषण किया, यह सीखते हुए कि परावर्तित प्रकाश का विशिष्ट मिश्रण वास्तव में मेडिकल डिवाइस द्वारा रिकॉर्ड किए गए शुगर स्तर के अनुरूप कैसे होता है।

इस प्रयोग के परिणाम बेहद सटीक थे। जिस कंप्यूटर मॉडल ने सबसे अच्छा प्रदर्शन किया, वह रैंडम फॉरेस्ट (Random Forest) नामक एक एल्गोरिदम है, जो औसतन केवल लगभग 4.3 मिलीग्राम प्रति डेसीलीटर की त्रुटि के साथ रक्त शर्करा के स्तर की भविष्यवाणी करने में सक्षम था। रक्त शर्करा की निगरानी की दुनिया में, यह त्रुटि का एक अत्यंत छोटा मार्जिन है। संदर्भ के लिए, मानक चिकित्सा दिशानिर्देश अक्सर एक बहुत व्यापक त्रुटि सीमा की अनुमति देते हैं इससे पहले कि किसी रीडिंग को अविश्वसनीय माना जाए। शोधकर्ताओं ने पाया कि लगभग सभी भविष्यवाणियां उच्चतम सुरक्षा श्रेणी में आती थीं, जिसका अर्थ है कि यदि कोई डॉक्टर या रोगी इन नंबरों का उपयोग उपचार निर्णय लेने के लिए करता, तो यह लगभग निश्चित रूप से सही होता। सिस्टम इतना सटीक था कि इसका प्रदर्शन वर्तमान में उपलब्ध कुछ वाणिज्यिक उपकरणों के बराबर या उनसे बेहतर था जिन्हें त्वचा के नीचे एक सेंसर डालने की आवश्यकता होती है।

इस अध्ययन की सबसे महत्वपूर्ण खोजों में से एक यह पहचानना था कि कौन से विशिष्ट रंग सबसे अधिक मायने रखते हैं। शोधकर्ताओं ने डेटा का विश्लेषण यह देखने के लिए किया कि किन तरंग दैर्ध्यों ने सटीकता में सबसे अधिक योगदान दिया। उन्होंने पाया कि लगभग बीस विशिष्ट प्रकाश बैंडों का एक छोटा समूह लगभग सारा आवश्यक डेटा ले जाता है, जो उनके द्वारा शुरू में परीक्षण किए गए सत्तर बैंडों के पूर्ण सेट के समान ही प्रदर्शन करता है। यह खोज भविष्य की तकनीक के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सुझाव देती है कि अंतिम उपकरण को बहुत छोटा और सरल बनाया जा सकता है। कई अलग-अलग लाइटों के जटिल सरणी की आवश्यकता के बजाय, भविष्य के संस्करण में केवल कुछ सावधानीपूर्वक चुने गए तरंग दैर्ध्यों पर निर्भर किया जा सकता है, जिससे सेंसर का निर्माण आसान और पहनने में अधिक आरामदायक हो जाएगा।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि क्या एक अधिक उन्नत प्रकार का कंप्यूटर मॉडल, जिसे डीप न्यूरल नेटवर्क कहा जाता है, समस्या को वर्गीकरण कार्य के रूप में मानकर परिणामों में सुधार कर सकता है। सटीक संख्या की भविष्यवाणी करने के बजाय, सिस्टम को रक्त शर्करा के स्तर को श्रेणियों में वर्गीकृत करने के लिए कहा गया था। इस अधिक कठिन दृष्टिकोण के बावजूद, सिस्टम ने बहुत उच्च स्तर की सटीकता बनाए रखी, जिसने अधिकांश मापों के लिए सही रेंज की सफलतापूर्वक पहचान की। इसने पुष्टि की कि सेंसर द्वारा कैप्चर किए गए प्रकाश संकेतों में रक्त शर्करा के सूक्ष्म परिवर्तनों के बीच अंतर करने के लिए पर्याप्त विवरण मौजूद थे, भले ही अंतर बहुत कम क्यों न हों। विभिन्न परीक्षण विधियों में इन परिणामों की निरंतरता ने शोधकर्ताओं को विश्वास दिलाया कि सिस्टम केवल एक विशिष्ट समूह के लिए भाग्यशाली नहीं था, बल्कि यह प्रकाश और शर्करा के बीच एक वास्तविक, भौतिक संबंध को कैप्चर कर रहा था।

इन उत्साहजनक परिणामों के बावजूद, शोधकर्ता सावधानी से यह नोट करते हैं कि यह अभी भी एक प्रोटोटाइप है और आम जनता द्वारा उपयोग किए जाने से पहले इस पर और काम करने की आवश्यकता है। अध्ययन में प्रतिभागियों की संख्या अपेक्षाकृत कम थी, और परीक्षण नियंत्रित परिस्थितियों में किया गया था। एक विश्वसनीय चिकित्सा उपकरण बनने के लिए, सिस्टम का परीक्षण बहुत बड़े और अधिक विविध समूह पर किया जाना चाहिए, जिसमें विभिन्न स्किन टोन और आयु के लोग शामिल हों। शोधकर्ता इस उपकरण को और अधिक छोटा करने पर भी काम करने की योजना बना रहे हैं, जिसका लक्ष्य सभी लाइटों और सेंसरों को एक ऐसे रूप में एकीकृत करना है जो घड़ी या अंगूठी में फिट हो सके। वे सिस्टम को व्यक्तिगत उपयोगकर्ताओं के अनुकूल बनाने के तरीकों पर भी विचार कर रहे हैं, ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि जैसे-जैसे व्यक्ति का शरीर बदलता है, यह सटीक बना रहे।

एक प्रयोगशाला प्रोटोटाइप से जेब में फिट होने वाले उपकरण तक का रास्ता लंबा है, लेकिन यह अध्ययन एक स्पष्ट और उत्साहजनक मानचित्र प्रदान करता है। दृश्य और अदृश्य प्रकाश के स्मार्ट मिश्रण को शक्तिशाली कंप्यूटर लर्निंग के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि गैर-आक्रामक रक्त शर्करा निगरानी केवल एक सैद्धांतिक सपना नहीं है, बल्कि एक मूर्त वास्तविकता है। तकनीक उस चरण से आगे निकल गई है जहाँ यह पूछा जाता था कि क्या यह संभव है, और अब यह दिखा रही है कि यह कितनी अच्छी तरह काम कर सकती है। जैसे-जैसे सेंसर छोटे होते जाएंगे और एल्गोरिदम अधिक परिष्कृत होंगे, वह दिन जल्द ही आ सकता है जब सुई की तीखी चुभन को प्रकाश के एक सरल, दर्द रहित स्पर्श द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकेगा, जिससे दुनिया भर के लाखों लोगों के लिए मधुमेह प्रबंधन के दैनिक अनुभव में परिवर्तन आएगा।