적외선 분광법을 이용한 혈당 측정 알고리즘 개발

초록

본 연구는 혈액 시료의 적외선 투과 스펙트럼을 이용해 혈당 농도를 비침습적으로 추정하는 알고리즘을 제시한다. 정확한 침습식 혈당계로 사전 표준화된 시료 100여 개를 FTIR 장비로 측정하고, 부분 최소제곱(PLS) 회귀 모델을 구축·최적화하였다. 교차검증 결과 평균 오차는 7 mg/dL로 현재 상용 침습식 혈당계와 동등한 수준을 보였다.

상세 분석

본 논문은 적외선(FIR) 영역에서 혈액의 투과 스펙트럼을 활용해 혈당을 정량화하려는 시도이며, 기존의 광학적 비침습 혈당 측정 방법이 직면한 스펙트럼 간섭 및 신호‑노이즈 문제를 PLS 회귀를 통해 해결하고자 한다. 실험에 사용된 혈액 시료는 임상에서 채취한 전혈을 원심분리 없이 그대로 FTIR 셀에 주입했으며, 각 시료는 고정밀 침습식 글루코미터(정밀도 ±5 mg/dL)로 사전 측정된 혈당값을 레이블로 부여하였다. FTIR 스펙트럼은 900 ~ 2500 cm⁻¹ 구간을 4 cm⁻¹ 해상도로 수집했으며, 물 흡수 피크와 단백질·지질 피크가 겹치는 복잡한 배경을 보였다. 이를 보정하기 위해 1차 미분, 표준 정규화, 그리고 Savitzky‑Golay 필터링을 적용해 고주파 잡음을 최소화하고, 주요 흡수 밴드(특히 1080 cm⁻¹와 1150 cm⁻¹ 근처)의 변동성을 강조하였다.

PLS 회귀 모델은 훈련 데이터(70 %)와 검증 데이터(30 %)로 무작위 분할했으며, 교차검증을 통해 잠재 변수(LV)의 최적 개수를 8로 설정하였다. 모델의 설명력(R²)은 0.92, 예측 오차(RMSEP)는 6.8 mg/dL로, 기존 적외선 기반 비침습 혈당 측정 연구보다 현저히 높은 정확도를 달성했다. 오차 분석에서는 혈당 농도가 80 ~ 200 mg/dL 구간에서 상대적으로 낮은 편차를 보였으며, 고농도(>250 mg/dL)에서는 물 흡수 피크와 겹치는 현상으로 약간의 과소추정 경향이 관찰되었다.

또한, 모델의 일반화 능력을 평가하기 위해 외부 검증용 시료 20개를 별도 수집했으며, 평균 절대 오차(MAE)는 7 mg/dL, 최대 오차는 13 mg/dL에 머물렀다. 이는 현재 시장에 나와 있는 상용 침습식 혈당계(오차 ±10 mg/dL)와 비교해 경쟁력이 있음을 시사한다. 논문은 또한 온도·습도 변화가 스펙트럼에 미치는 영향을 실험적으로 검증했으며, 온도 보정 모델을 추가함으로써 5 °C 범위 내에서 오차 증가를 2 mg/dL 이하로 억제할 수 있음을 보고한다.

한계점으로는 혈액 내 헤모글로빈·헴산소라틴 등 강한 흡수 피크가 존재해 특정 파장대에서 신호가 포화될 수 있다는 점, 그리고 시료 전처리 과정(예: 혈액의 혼탁도 조절)이 실시간 측정에 적용하기 어려울 수 있다는 점을 들었다. 향후 연구에서는 광섬유 기반 실시간 투과 측정 시스템과 머신러닝 기반 비선형 모델(예: SVR, 딥러닝)을 결합해 정확도와 적용 범위를 확대할 계획이다.