Publication: Assessment and optimization of new applied spectroscopic techniques using functional data analysis: application to non-invasive sensing of sustained hyperglycemia
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Publication date
2020-09
Defense date
2020-12-09
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Abstract
Millimeter-wave and THz spectroscopy is nowadays a huge research field largely focused on the development of new and improved instruments and techniques for practical applications such as medical diagnostics, security screenings, and industrial control processes; mainly due to its non-invasive and remote scope for matter elucidation and characterization. Such instruments are based on spectroscopic techniques that, broadly speaking, irradiate a target sample using electromagnetic radiation at different frequencies (wavelengths) to measure its optical properties as frequency-dependent functions. Thus, the use of spectroscopic techniques leads to the acquisition of spectral data containing the information about the interaction between the sample under evaluation and the applied electromagnetic radiation. In this situation, the processing and analysis of the spectral data are important tasks when developing new instruments based on spectroscopic techniques (applied spectroscopy systems), and one of the most challenging scenarios appears in applications in which the sample includes multiple species with very similar optical properties, as often happens in biomedical applications. Consequently, statistical methods are required, not only to extract the desired information from the spectral data, but also as part of the calibration process of the technique/instrument.
In this doctoral thesis, a novel non-invasive approach using mm-wave spectroscopy for in-vivo detection and monitoring of sustained hyperglycemia, typically associated with Diabetes Mellitus (DM), is evaluated through several experimental tests including the use of animal models and a pilot clinical study on humans (Type 1 DM patients). The experimental tests were carried out using a W-band spectrometer built specifically for this study, capable of acquiring the reflection and transmission spectra from in-vivo and non-invasive measurements performed on the animals and humans. The spectral data collected from these tests have been processed and analyzed using Functional Data Analysis (FDA) methods due to their suitability for the abovementioned challenging spectroscopic scenarios in the framework of biomedical applications. FDA techniques have allowed us to study the spectral response measured within the W-band in unsupervised and supervised settings, providing an interpretation of the different interrogation frequencies contribution at all the analysis stages, even for a longitudinal analysis performed on spectral data collected at different times during the pilot clinical study with type 1 DM patients. It is important to note that in the conception of the diagnostic we have used a non-targeted spectral profiling approach that allowed us to consider collectively the spectral features of all the sample constituents (avoiding the necessity of individual metabolites identification) thus providing with a wider perspective about the applicability of the proposed spectroscopic technique for in-vivo sensing of hyperglycemia.
The experimental results of this thesis demonstrate that simple transmission-type spectrometers in the W-band in combination with the right statistical analysis tools show great potential for the further development of a non-invasive diagnostic tool for in-vivo sensing of sustained glycemia in humans. This would mean a clear breakthrough in Diabetes Mellitus diagnostic and management as it could substitute the current standard tool in medical practice for DM diagnosis and monitoring, as it is the invasive HbA1c test.
Hoy en dÃa, la espectroscopia de ondas milimétricas y THz comprenden un gran campo de investigación que se enfoca en gran parte al desarrollo de técnicas e instrumentos nuevos y mejorados en aplicaciones prácticas, tales como: diagnósticos médicos, controles de seguridad y el control de procesos industriales; esto se debe principalmente a su alcance para elucidar y caracterizar la materia de forma remota y no invasiva. Dichos instrumentos se basan en técnicas espectroscópicas que, en términos generales, irradian una muestra objetivo utilizando radiación electromagnética a diferentes frecuencias (longitudes de onda), para medir sus propiedades ópticas en función de las frecuencias utilizadas. Siendo ésta la razón por la que el uso de técnicas espectroscópicas resulta en la adquisición de datos espectrales, los cuales contienen la información sobre la interacción entre la muestra evaluada y la radiación electromagnética aplicada. En esta situación, el procesamiento y análisis de los datos espectrales son tareas importantes a la hora de desarrollar nuevos instrumentos basados en técnicas espectroscópicas (sistemas de espectroscopÃa aplicada), y uno de los escenarios más desafiantes se encuentra en aplicaciones donde la muestra incluye múltiples especies con propiedades ópticas muy similares entre sÃ, como suele ocurrir en las aplicaciones biomédicas. En consecuencia, se requieren métodos estadÃsticos, no solo para extraer la información deseada de los datos espectrales, sino también como parte del proceso de calibración de la técnica o el instrumento. En esta tesis doctoral, se evalúa un enfoque novedoso que utiliza espectroscopÃa de ondas milimétricas para la detección y monitorización in vivo y de forma no invasiva de la hiperglucemia sostenida, tÃpicamente asociada a la Diabetes Mellitus (DM), en donde se incluyen varias pruebas experimentales realizadas con modelos animales y un estudio clÃnico piloto en los seres humanos (pacientes con DM tipo 1). Las pruebas experimentales se realizaron mediante un espectrómetro de banda W que se construyó especÃficamente para esta investigación, capaz de adquirir los espectros de reflexión y transmisión a partir de las mediciones in vivo y no invasivas realizadas sobre las muestras biológicas. Todos los datos espectrales obtenidos durante estas pruebas, fueron procesados y analizados utilizando métodos de Análisis de Datos Funcionales (ADF) debido a su idoneidad para abordar los escenarios espectroscópicos complejos que se encuentran muy comúnmente en el marco de aplicaciones biomédicas. Las técnicas del ADF nos permitieron estudiar la respuesta espectral medida en la banda W bajo los entornos de aprendizaje supervisado y no supervisado, proporcionando una interpretación de la contribución de las frecuencias medidas en todas las etapas del análisis, incluso para un análisis longitudinal realizado con datos espectrales que fueron observados a diferentes tiempos durante el estudio clÃnico piloto con pacientes de DM tipo 1. También es importante señalar que referente a la concepción de los diagnósticos presentados, se utilizó un enfoque de perfilamiento espectral no especÃfico, el cual nos permitió considerar de forma colectiva las caracterÃsticas espectrales de todos los constituyentes de la muestra (sin tener que identificar metabolitos individualmente). Además, este enfoque nos proporcionó una perspectiva más amplia a la hora de estudiar la aplicabilidad de la técnica espectroscópica propuesta para la detección in vivo de hiperglucemia. Los resultados experimentales obtenidos en esta tesis, demuestran que un simple espectrómetro capaz de medir la transmitancia de la muestra biológica en la banda W, combinado con las herramientas de análisis estadÃstico adecuadas, proporciona un enfoque potencial para el desarrollo de una herramienta de diagnóstico no invasiva enfocada a la detección in vivo de la glucemia sostenida en humanos. Esto significarÃa un claro avance en el manejo y en el diagnóstico de la diabetes, ya que podrÃa sustituir la prueba invasiva de HbA1c, que es la herramienta estándar utilizada actualmente en la práctica médica para el diagnóstico y seguimiento de la Diabetes.
Hoy en dÃa, la espectroscopia de ondas milimétricas y THz comprenden un gran campo de investigación que se enfoca en gran parte al desarrollo de técnicas e instrumentos nuevos y mejorados en aplicaciones prácticas, tales como: diagnósticos médicos, controles de seguridad y el control de procesos industriales; esto se debe principalmente a su alcance para elucidar y caracterizar la materia de forma remota y no invasiva. Dichos instrumentos se basan en técnicas espectroscópicas que, en términos generales, irradian una muestra objetivo utilizando radiación electromagnética a diferentes frecuencias (longitudes de onda), para medir sus propiedades ópticas en función de las frecuencias utilizadas. Siendo ésta la razón por la que el uso de técnicas espectroscópicas resulta en la adquisición de datos espectrales, los cuales contienen la información sobre la interacción entre la muestra evaluada y la radiación electromagnética aplicada. En esta situación, el procesamiento y análisis de los datos espectrales son tareas importantes a la hora de desarrollar nuevos instrumentos basados en técnicas espectroscópicas (sistemas de espectroscopÃa aplicada), y uno de los escenarios más desafiantes se encuentra en aplicaciones donde la muestra incluye múltiples especies con propiedades ópticas muy similares entre sÃ, como suele ocurrir en las aplicaciones biomédicas. En consecuencia, se requieren métodos estadÃsticos, no solo para extraer la información deseada de los datos espectrales, sino también como parte del proceso de calibración de la técnica o el instrumento. En esta tesis doctoral, se evalúa un enfoque novedoso que utiliza espectroscopÃa de ondas milimétricas para la detección y monitorización in vivo y de forma no invasiva de la hiperglucemia sostenida, tÃpicamente asociada a la Diabetes Mellitus (DM), en donde se incluyen varias pruebas experimentales realizadas con modelos animales y un estudio clÃnico piloto en los seres humanos (pacientes con DM tipo 1). Las pruebas experimentales se realizaron mediante un espectrómetro de banda W que se construyó especÃficamente para esta investigación, capaz de adquirir los espectros de reflexión y transmisión a partir de las mediciones in vivo y no invasivas realizadas sobre las muestras biológicas. Todos los datos espectrales obtenidos durante estas pruebas, fueron procesados y analizados utilizando métodos de Análisis de Datos Funcionales (ADF) debido a su idoneidad para abordar los escenarios espectroscópicos complejos que se encuentran muy comúnmente en el marco de aplicaciones biomédicas. Las técnicas del ADF nos permitieron estudiar la respuesta espectral medida en la banda W bajo los entornos de aprendizaje supervisado y no supervisado, proporcionando una interpretación de la contribución de las frecuencias medidas en todas las etapas del análisis, incluso para un análisis longitudinal realizado con datos espectrales que fueron observados a diferentes tiempos durante el estudio clÃnico piloto con pacientes de DM tipo 1. También es importante señalar que referente a la concepción de los diagnósticos presentados, se utilizó un enfoque de perfilamiento espectral no especÃfico, el cual nos permitió considerar de forma colectiva las caracterÃsticas espectrales de todos los constituyentes de la muestra (sin tener que identificar metabolitos individualmente). Además, este enfoque nos proporcionó una perspectiva más amplia a la hora de estudiar la aplicabilidad de la técnica espectroscópica propuesta para la detección in vivo de hiperglucemia. Los resultados experimentales obtenidos en esta tesis, demuestran que un simple espectrómetro capaz de medir la transmitancia de la muestra biológica en la banda W, combinado con las herramientas de análisis estadÃstico adecuadas, proporciona un enfoque potencial para el desarrollo de una herramienta de diagnóstico no invasiva enfocada a la detección in vivo de la glucemia sostenida en humanos. Esto significarÃa un claro avance en el manejo y en el diagnóstico de la diabetes, ya que podrÃa sustituir la prueba invasiva de HbA1c, que es la herramienta estándar utilizada actualmente en la práctica médica para el diagnóstico y seguimiento de la Diabetes.
Description
Mención Internacional en el tÃtulo de doctor
Keywords
Millimeter-wave spectroscopy, in-vivo detection, Hyperglycemia, Diabetes Mellitus (DM), Optimization