近红外无创血糖测量的研究
近红外无创血糖测量原理
近红外无创血糖测量原理近红外无创血糖测量技术是一种新型的血糖监测方法，其原理是利用近红外光通过皮肤组织时，与组织内的葡萄糖发生相互作用，从而推断血液中的葡萄糖浓度。
这种技术可以不用抽血，直接通过皮肤测量血糖，有效地减轻了糖尿病患者的痛苦和负担。
首先，了解近红外的特性对理解这种原理非常重要。
近红外光谱位于可见光和红外光之间的一段波长范围内，具有较高的穿透能力。
当近红外光通过皮肤时，它会与组织内的分子发生相互作用，并产生反射、散射和吸收。
这种相互作用可以提供与组织内分子的浓度和结构相关的信息，如葡萄糖浓度。
其次，葡萄糖分子在近红外光的作用下表现出独特的反射和吸收特性。
近红外光谱中存在几个特征峰，其中一个与葡萄糖浓度直接相关。
当近红外光通过皮肤时，它会被组织内的葡萄糖吸收，导致该特征峰的吸收增加或减弱。
通过测量吸收的变化，可以推断出血液中的葡萄糖浓度。
不仅如此，近红外无创血糖测量技术还需要借助模型来进行数据处理和分析。
这些模型是通过大量实验获取的，包括已知葡萄糖浓度的样本和相应的近红外光谱数据。
通过数据处理和模型训练，可以建立近红外光谱与葡萄糖浓度的关系模型。
当要测量血糖时，只需要测量近红外光的反射和吸收，然后与模型进行对比分析，从而得出血糖浓度。
这种近红外无创血糖测量技术具有许多优势。
首先，由于无需穿刺采集血液样本，可以有效减轻患者的痛苦和不适感。
其次，这种技术可以实时监测血糖，提供即时的结果和反馈，方便患者及时调整饮食和胰岛素注射等控制血糖的措施。
此外，这种方法无需专业人士操作，患者可以在家中自行测量血糖，提高了监测的便捷性和隐私性。
然而，近红外无创血糖测量技术也存在一些问题和局限性。
首先，由于每个人的皮肤和组织特性不同，需要针对不同人群建立专属的模型，否则可能导致测量误差。
其次，一些因素如环境的干扰、皮肤温度的变化等，都会对测量结果产生一定的影响，需要进行校准和误差修正。
此外，由于目前技术的限制，近红外无创血糖测量技术并不适用于所有糖尿病患者，部分患者仍需使用传统的抽血测试方法。
近红外光谱用于血糖测定研究
摘要对现有的一些使用近红外光谱无创离体和在体测量葡萄糖的研究结论，结合我们的研究结果进行评述。
首先介绍建立葡萄糖光谱检测的基本理论。
在光谱检测的分析研究中，离体测量表现出良好的结果；在体葡萄糖检测和预测，结果精度较差，离临床和家庭使用还有一些距离。
关键词近红外光谱；血糖无创检测1 简介糖尿病是一种内分泌疾病。
据报导，1997年全世界的糖尿病患者超过1.2亿，到2010年将会增长到2.2亿以上。
现有对糖尿病较有效的治疗手段是通过频繁的检测和胰岛素注射来对血糖浓度进行控制，从而减少或减轻由糖尿病导致的并发症。
目前检测血糖的方法主要是从体内抽取血液通过生化检测进行分析，这属于有创伤检测，有创伤检测给患者带来的痛苦和不便。
无创性血糖检测已引起人们极大的关注，其意义是：(1)减少患者每天采血测量的痛苦，提高病人的生存质量；(2)可提高测量次数，提高血糖控制精确度，降低糖尿病并发症发生的危险；(3)降低每次测量的成本；(4)有可能形成含有检测器和胰岛素注射的闭环循环系统；(5)其测量方法和原理可以推广应用到其它血液成分的检测。
在无创性血糖检测研究中使用较多的是红外光谱分析方法，通过对一束红外光透过人体组织或者由其反射的光谱信号分析，确定组织内葡萄糖的含量。
目前较有效的光谱范围是近红外区(波长为0.7um-2.5um)。
2 红外光谱检测葡萄糖的原理和方法2.1 水溶液中葡萄糖的近红外吸收有机分子在近红外光谱区的吸收主要是由于含氢基团的分子振动的倍频与合频吸收造成的[1]。
有机分子的倍频和合频光谱能够得到分子结构、组成状态的信息。
有机物近红外光谱，其特征性强，受分子内外环境的影响小，但倍频和合频比基频吸收带宽得多，使得多组分样品的近红外光谱在不同组分的谱带、同一组分中不同基团的谱带以及同一基团不同形式的倍频、合频谱带发生严重的重迭，从而使近红外光谱的图谱解析异常困难。
在混合物中的化学组分，很难再分离出每种组分单一、无重叠的吸收光谱。
无创血糖测量技术研究及应用
无创血糖测量技术研究及应用随着现代医学技术的不断进步，无创血糖测量技术成为了新的研究热点。
传统的血糖测量需要穿刺取血，这样做既痛苦又不便，而且患者需要频繁采血，对身体也有一定的损伤。
无创血糖测量技术的出现，解决了这一问题。
本文将从技术的基本原理、应用现状和未来发展趋势等方面来阐述无创血糖测量技术。
一、技术的基本原理无创血糖测量技术，简单来说就是通过不需要穿刺取血的方法，准确测量出患者血糖的浓度，以达到轻便、痛苦少和侵入性小等优点。
目前已经有很多种无创血糖测量技术，如红外光谱、光学散射法、声学反射法、热红外成像法等。
其中，最常用的就是光学散射法。
光学散射法的基本原理是通过光的散射来测量人体内血糖的含量。
它利用了人体血糖的吸收光谱特性，将特定波长的光照射到人体部位，血糖分子会吸收部分光线，这部分吸收的光线与未被吸收的光线之间的差异就是血糖的浓度。
这样的无创测量方法，可以使用脉搏波或者小肠等微小的物理活动来控制血糖的变化，以达到准确测量血糖的效果。
二、应用现状目前无创血糖测量技术还处于研究阶段，虽然已经有一些商业化的产品上市，但是与传统穿刺式血糖仪相比，无创血糖测量仪器的准确性和实用性还有很大的提升空间。
但是就目前的应用情况来看，该技术已经广泛应用于糖尿病患者和长期近视者等人群。
1、糖尿病患者糖尿病是目前全球范围内较为普遍的疾病之一，患病人群较大。
对于患有糖尿病的患者而言，血糖的浓度需要进行密切的监测和调整，而无创血糖测量技术的出现，无疑极大的方便了患者的用药和监测。
因此，该技术在糖尿病患者中得到了广泛的应用。
2、长期近视者除糖尿病患者外，长期视力下降的人群也需要密切关注血糖的变化。
随着年龄的增长，人体内分泌系统和代谢系统也会随之下降，这也可能会导致血糖持续升高。
因此，长期近视者对于血糖的测量也有一定的需求，而无创血糖测量技术便给这些人群带来了便利。
三、未来发展趋势虽然无创血糖测量技术目前还处于研究阶段，但是未来的发展可期。
近红外无创血糖测量—透反光谱共用理论基础及实验验证
摘要日常的血糖监测给病人带来极大的痛苦，这使得研究一种快速便捷的方式检测血糖浓度成为人们关注的焦点。
近红外光谱技术通过光谱信号分析血糖信息，被认为是最具有应用前景的无创血糖检测技术之一。
近红外光对人体的伤害小，但光能量较弱，因而要充分利用可获得的有用光信息。
在实验中一般可以测得的是扩散反射光谱和透射光谱，因而本文的研究目的在于从理论上寻找不同结构、不同厚度的生物组织中扩散反射率和透射率的规律，进而为联用两种光谱提供理论支撑。
本文首先介绍了玻尔兹曼（Boltzmann）辐射传输方程，根据外推边界条件和镜像源偶极子理论，先分析在半无限介质中光子的传播规律；接下来主要分析了单层平板（slab）结构中光子传输规律，探讨光子在slab结构中的扩散反射率和透射率的规律；最后本文对多层组织的传播规律进行了展开，对于人体实验具有指导意义。
然后本文基于蒙特卡洛模拟，首先对光子在半无限模型中传输进行了模拟；接着对1-6 mm厚度的单层皮肤模型进行了蒙特卡洛模拟。
将理论分析与模拟的结果对比，两者在整体上是一致的，这就说明理论分析的结果是可行的。
这样就可以利用理论分析的结果寻找扩散反射率和透射率的关系，这对于课题组开展透反共用的研究具有重要的意义。
最后对皮肤的五层结构模型进行了介绍，并进行了模拟分析。
最后在理论分析和蒙特卡洛模拟的基础上，本文利用实验室搭建的近红外透反射光谱检测系统，通过制备不同厚度的仿体进行实验验证。
探究近红外光在1-6 mm厚度的仿体中的传输规律，并将实验结果与理论和模拟所得的数据进行对比分析。
通过分析可以发现，随着组织厚度的增加，反射光强在逐渐增加，而透射光强逐渐减小，这与理论分析和模拟所得规律是一致的，这说明关于反射率和透射率的公式是正确的，为后续的透反共用提供了有力的理论支持。
关键词：近红外光谱，辐射传输方程，蒙特卡洛模拟，扩散反射率，透射率ABSTRACTRoutine blood glucose monitoring is a pain for patients, which makes the development of a fast and convenient way to detect blood glucose concentration has become the focus. Near-infrared spectroscopy (NIRS) is one of the most promising non-invasive detection technologies for blood glucose measurement by analyzing blood glucose information from spectral signals. The damage of Near-infrared light for human body is small, but its light energy is weak, and thus to make full use of available useful optical information. The diffused reflectance spectrum and transmission spectrum generally can be obtained, hoping to find a way to joint use of the two spectra to enhance the spectral signal. The purpose of this paper is to find out the rules of diffused reflectance and transmittance in biological tissue with different structures and thicknesses, and to provide theoretical reference for the following the joint use of diffused reflectance and transmittance.In this thesis, we first introduce the derivation process of Boltzmann radiation equation and the meaning of formula. According to the extrapolation boundary condition and the mirror source dipole theory, we first analyze the propagation law of photon in semi-infinite medium. It is necessary to analyze the law of photon transmission in medium with limited thickness. Therefore, the law of photon transmission in single-layer slab structure is mainly analyzed, and the law of diffused reflectance and transmittance of photon in slab structure is discussed. The formula of reflection and transmission in slab structure is deduced. At last, the propagation law of multi-layer organization is carried out, which is instructive for human experiment.Then, based on the Monte Carlo simulation method, the simulation of photon propagation in semi-infinite media is carried out. Monte Carlo simulation of 1-6 mm thickness of the monolayer skin model like the slab structure model described above, compares the results of the theoretical analyses with the simulation results, and the two results are consistent as a whole. This shows that the theoretical analysis results are feasible of. So we can find the relationship between diffused reflectance and transmittance by using the formula deduced from the theory. This is of great significance to the study of joint use of the two spectra.In the end, the five-layer structure model of the skin is introduced, and the simulation analysis is carried out.Finally, based on the theoretical analyses and Monte Carlo simulation, a NIRspectroscopy detection system was set up in the laboratory. 1-6mm thickness of the imitation was tested. And research transmission law of near-infrared light, and compare the experimental and simulated data. It can be found that the intensity of reflected light intensity increases with the increase of the thickness of the tissue, and the transmitted light intensity decreases gradually, which is consistent with the theoretical analyses and simulation results, which shows that the formula of reflectance and transmittance is correct, for the follow-up joint use of diffused reflectance and transmittance provides a strong theoretical support.KEY WORDS:Near-infrared Spectroscopy, Boltzmann Radiation Transfer equation, Monte Carlo Simulation, Diffused Reflectance, Transmittance目录摘要 (I)ABSTRACT (III)第1章绪论 (1)1.1 无创血糖测量研究的意义及发展 (1)1.2 近红外无创血糖测量的研究进展 (3)1.3 近红外无创血糖检测技术中存在的难题 (4)1.4 主要研究内容 (6)第2章理论基础 (9)2.1 皮肤组织的结构和构成 (9)2.2 皮肤组织的光学特性 (11)2.3 蒙特卡洛模拟 (15)2.4 本章小结 (16)第3章基于辐射传输方程的反射率和透射率的分析 (17)3.1 辐射传输方程 (17)3.1.1 光在组织体中传播的数学模型 (17)3.1.2 Boltzmann 辐射传输方程 (18)3.2 半无限介质模型的反射率 (21)3.3 单层平板（slab）模型的反射率和透射率 (24)3.4 多层模型的反射率和透射率的展开 (28)3.5 本章小结 (29)第4章基于蒙特卡洛模拟的反射率和透射率的研究 (31)4.1 半无限介质模型的反射率的蒙特卡洛模拟 (31)4.2 单层皮肤模型的透射率和反射率的蒙特卡洛模拟 (33)4.3 多层组织的反射率和透射率的蒙特卡洛模拟 (39)4.3.1 耳垂部位五层皮肤模型的建立 (39)4.3.2 五层皮肤模型的反射率和透射率的蒙特卡洛模拟 (40)4.4 本章小结 (41)第5章实验系统介绍及制备仿体进行实验验证 (43)5.1 近红外透反射光谱检测系统 (43)5.1.1 光源检测器系统 (44)5.1.2透反光纤测头 (46)5.2 仿体的制备 (48)5.3 仿体实验 (51)5.4 实验结果的总结分析 (56)5.5 本章小结 (57)第6章总结和展望 (59)6.1 全文工作总结 (59)6.2 未来工作的展望 (60)参考文献 (63)发表论文和参加科研情况说明 (69)致谢 (71)第1章绪论糖尿病是一种慢性代谢性疾病，给人们的生活带来极大的痛苦，在外国被称作“沉默的杀手”[1]，这足以看出糖尿病的极大的威胁性。
近红外无创血糖测量——基于耳垂部位检测的可行性研究
学科专业：生物医学工程 研 究 生：邹达 指导教师：蒋景英 副教授
天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零一二年十二月
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。
KEY WORDS: Near Infrared Spectroscopy, Non-invasive Blood Glucose Sensing
Earlobe, Floating Reference Point, OGTT
目录
第一章 绪论 .......................................................................................... 1
第二章 近红外无创血糖检测的理论基础 .............................................. 8
2.1 描述光在生物组织中传播用到的光学参数 ......................................................8 2.2 生物组织中光传播的蒙特卡洛模拟方法 ........................................................ 11 2.3 近红外无创血糖测量的基本原理 ...................................................................15 2.4 浮动基准方法理论及原理 ...............................................................................17 2.5 近红外无创血糖检测中常用的化学计量学方法 ............................................19 2.6 小结 ....................................................................................................................21
近红外光谱技术在人体血糖无创检测中的应用研究
中国科学院博士学位论文近红外光谱技术在人体血糖无创检测中的应用研究２．Ｎｅｘｕｓ“８７０型傅立叶红外光谱仪的结构图２－４、图２－５和图２－６分别为ＮｅｘｕｓＴＭ８７０型傅立叶红外光谱仪的外形结构、内部结构及其内部光路图。
图２—４ＮｅｘｕｓＴＭ８７０型傅立叶红外光谱仪外形结构图２－５ＮｅｘｕｓＴＭ８７０型傅立叶红外光谱仪内部结构第二章近红外光谱技术的发展及葡萄糖粉末的光谱特性研究图２－６ＮｅｘｕｓＺＭ８７０型傅立叶红外光谱仪的内部光路３．Ｎｅｘｕｓ“１８７０型傅立叶红外光谱仪的技术指标Ｎｅｘｕｓ…８７０型傅立叶红外光谱仪各个方面都达到了较高的精度水平，这些指标在世界上都是先进的。
同时，也为本论文的完成提供了强大的硬件支持。
以下是ＮｅｘｕｓＴＭ８７０型傅立叶红外光谱仪的技术指标：分辨率为０．０９ｃｍ～；仪器的峰．峰值噪声低于１．３×１０‘５Ａｂｓ（１分钟扫描）高于３３０００．．１：ＲＭＳ噪声低于３．７×１０－６Ａｂｓ（１分钟扫描）：ＡＳＴＭ线性度好于Ｏ．０７％Ｔ；光谱范围在２５０００ｃｍｏ至２８００ｃｍｏ之间：快速扫描分别为６５次／秒和９５次／秒：波数精度为Ｏ．０１ｅｍ～：扫描速度档数为２２档；最慢扫描速度为Ｏ．０１５８ｃｍ／ｓｅｃ；最快扫描速度为８．２２ｃｍ／ｓｅｃ：～Ｄ数字转换器为２０位。
２．２．２葡萄糖近红外光谱特性的研究葡萄糖是糖在人体内的主要存在形式，葡萄糖的近红外光谱特性是研究血糖近红外光谱特性的基础。
葡萄糖的分子式为Ｃ６Ｈ１２０６，在近红外光谱区产生吸收的官能团主要是含氢基团，包括Ｃ－Ｈ（甲基、亚甲基、甲氧基、羧基、芳基等），羟基０一Ｈ。
１．实验装置采用漫反射光谱对葡萄糖粉术的近红外光谱特性进行分析。
使用Ｎｅｘｕｓ８７０中国科学院博士学位论文近红外光谱技术在人体血糖无创检测中的应用研究傅立叶变换红外光谱仪和用于４２００～１１０００ｅｍ“光谱区域的Ｎｅｘｕｓ８７０附件ＳｍａｒｔＮｅａｒ—ＩＲＵｐＤＲＩＦＴ。
近红外无创伤血糖测量的组织光学基础研究
糖浓度的增加 , ( 1) 吸收系数 在微弱的增大 ; ( 2)散
射系数 逐渐减小 4)约化散射系数
μ’ s
=
(1
-
g)
μ也是逐渐减小 。 s
图
3 的实验结果中散射系数
μ、各向异性因子 s
g
和约化散射系数
μ’的 变 化 规 律 直 接 吻 合 图 a
2 理论
图 4 不同葡萄糖浓度的漫反射光强 Fig. 4 Influence of glucose concentration on diffuse reflec2 tance
图 3 1 600 nm 光学参数随葡萄糖浓度的变化关系 Fig. 3 Relation of op tical p roperties and glucose concentra2 tion at 1 600 nm
Key words: gluco se concentration; noninvasive sensing; near2infrared spectro scopy; tissue op tic
血糖浓度的近红外无创伤测量已成为学术界的 研究热点 。从 1990 年开始 ,在美国有许多风险投资 公司和大学等研究机构投入了巨额资金和时间进行 了无创伤血糖计的开发 [ 123 ] 。日本于 2000 年成立了 血糖无创伤检测的项目研究组 ,投资经费六亿四千
这部分研究用化学计量学的方法来加以建立光 谱与血糖浓度之间的模型 ,由于血糖的光谱信号微 弱 ,且与其它成分吸收相互重叠 ,因此需要到主成分 分析 、多元回归 、净信号分析和二维光谱分析等化学 计量学方法 。
有此可见 ,组织光学在血糖的无创测量中重要 承接作用 ,既联系着血糖的分布与代谢规律 ,又是光 学方法检测血糖信号的实现基础 。
近红外光谱无创血糖检测中有效信号提取方法的研究
５ １
间上与样 品相近 的标准板来消除人 体生理组 织背景变化带来 的干扰 【 但如果利 用人体 自身 的某一 时 刻光谱 作 为标 准 １ 。 背景 ， 其余时刻光谱 针对 它校正便可解决这一难题 。 人体组织 中血流容积随时 间周期性变化 这一事实 ，早于 ２ Ｏ世纪 ３ Ｏ年代初就 已经用光电方法 记录下来［ １ 。以此为基 础研制出的实用 血氧仪也 已在 医学界广泛应用 。 不同的血流 容积对应着不 同的血液厚度 。在血 流容积随 着脉搏发生变化 的一个或几个周期 （ 量级） ， 秒 内 人体 背景组 织的物理 、化学参 数和血液成分含量信 息几乎没 有变化 ，而
值不 高 。因此 ， 须通 过某种方 法 ，将人体 皮肤 、肌 肉等生 必
理组织背景 的强 干扰 消除 ， 提取 出血液成分 信息 光谱 ， 才能
在无创血糖检测领域取得 突破 。 本文针对近红外无创血糖检验生理 背景扣除问题 进行 了 分析 ，讨论了基于血流容积变化 的检 测方法¨ ——血流容 积 ９ ］
据 。然而 ，国内外学 者耗 费 大量精 力 在 此领域 研 究 了近 ２ ｏ 年， 却依然未取得足 以临床应用 的成果ｌ ］ ４。 主要 问题在于 ：近红外光谱分析 依赖 于定 标模 型 ， 不 但 同个体之 间或 同一个体不 同部位 的皮肤 、肌 肉等组织背 景存 在差异 ，这种 差异势必会对光程及光 谱吸 收带来影 响 ，而且
１０ ３ ３０ ３
１０ ４ ００ ９
３ ０ １ １０８
摘
要
糖尿病严重危害人类健康 ， 无创血糖检测是 医患双方 的期望 。人体生理背景成分 复杂 、 变 ， 易 各种
组织信息混杂 ， 导致直接测量人体 的近红外光谱 很难真 实反 映血 液 中血 糖浓度 变化信 息。提出血 流容积差 光谱相减法 ，即利用血流容积一直在变而人体组织 背景 和血液成 分含量 短时 间不 变 的事实 ，通过相 似背景 扣除 ， 有效消除人体组织背景干扰 ， 得反 映血液成 分信 息的有效 光谱 信号 。 获 为验证方法 的有效性 ，自行研 制相关实验系统 ， 获得系统噪声好于 ２ Ａｕ， Ｏ 并在波长 ｌ２ ０ｎ ｌ ５ ｎ 处取得信噪 比为 ２ ０ １的有效光谱信 Ｏ０ ０： 号 ，阐明现有条件下血流容积差光谱相减法在近红外无创血糖检验临床应用 的可行性和优势 。 关键 词 近红外光谱 ；无创血糖检测 ； 血液 ； 血流容积差光谱相减法
近红外光谱无创血糖测量中背景扣除方法的研究
·I s j ·I b j
(3)
(3) 式中等号右边的参数都是可以直接测量的值 。这表
明 , 在仪器具有较高的短期信噪比且样品光谱和背景光谱测
量的间隔时间较短的前提下 , 应用“Sandwich”背景扣除法 ,
能够有效消除仪器漂移对光谱的影响 , 从而提取可靠的葡萄
糖浓度变化信息 。
在以上的“Sandwich”背景扣除法的理论分析中 , 假设测
从图 1 中可以看出 , 在测量过程中 , 通过相近背景的扣 除 , 样品光谱的稳定性得到了提高 , 尤其是在葡萄糖的两个 倍频吸收 1 250 和 1 600 nm 附近 。这表明 , 相近背景的扣除 能更有效地消除样品特性变化的影响 , 提高长期稳定性 。
对实验中测量得到的 30 条透射光谱 , 分别扣除相对应 的背景 , 并采用 Camo 公司的 U nscrambler 软件进行回归分
在“Sandwich”测量方法的基础上 , 更有效地消除表面反射率
的变化对测量的影响 , 从而保证所提取信息的可靠性和有效
性 。且此时背景光谱和样品光谱能量差异相对较小 , 能更好
地满足检测器的线性要求 。这就是相近背景扣除方法的基本
原理 。下面我们将通过实验对该方法的效果进行验证 。
2 相近背景扣除方法的实验研究
程长 ; i 表示溶液中成分的序号 , j 表示样品的序号 。
第 j 个样品的吸光度定义为 :
Aj
= ln
I0 ( tsj j 个样品之间由于葡萄糖浓度变化导致的吸光度的
差值为
收稿日期 : 2007208202 , 修订日期 : 2007211206 基金项目 : 国家“十一五”科技支撑计划项目 (2006BA I03A03) 和中国博士后科学基金项目 (20070410197) 资助 作者简介 : 刘 蓉 , 女 , 1978 年生 , 天津大学精密仪器与光电子工程学院博士后 e2mail : Rongliu @tju1 edu1 cn
红外无创检测血糖仪研究
测光路设计为光源投射方式，即光源发出的光经过光纤准直 镜，且将入射光导入光纤中，对光纤进行有效处理，提升入射 光的利用率 [3]。
2 无创检测系统各部分的主要器件选择
2.1 光源
本文设计的红外无创检测血糖仪的光源主要选择发光 二极管，可以实现对较窄波长带宽范围或者针对某特定波长 进行测量。光源是按照所运用的领域不同，加以选择的，若是 进行单纯的光谱分析，则会选用热辐射光源，利用较宽光波 谱带完成光谱分析 [4]。
0 引言
糖尿病对人的身体健康有着严重的影响。若是糖尿病患 者的血糖水平得不到有效控制，则会引起心血管疾病、神经 系统疾病、慢性肾功能衰竭等疾病，因此需要注重血糖浓度 的检测，能够有效预防糖尿病的发生 [1]。为了控制糖尿病患 者的血糖水平，需在日常生活中监测自身血糖浓度，检测频 次为 4-5 次。市场上常见的血糖检测设备为有创或者微创，伴 随一定程度的疼痛感，频繁多次的血糖检测对患者持续性的 损害 [2]。因此，设计一款经济、简单、无痛苦的血糖测量设备 是必然所需。
摘要 ：糖尿病为一种慢性病难以根治，对人民群众的生活与工作有着一定的影响。因此，为了控制机体内的血糖浓度，需 对血糖进行检测。以往利用生化手段进行血糖检测，容易对患者造成损伤，影响患者血糖的测量结果。为了降低有创生化 检测手段带来的影响，可选择光学无创检测技术弥补生化检测技术存在的弊端。该种检测技术可以让糖尿病患者的日常 血糖检测变得越来越简单，更是满足了糖尿病患者的无痛需求，且具有便捷、无痛苦、实时检测的优势。本文基于红外光 谱检测原理，设计了红外无创血糖仪。 关键词 ：红外光谱 ；无创 ；血糖仪 ；糖尿病
ห้องสมุดไป่ตู้
表 1 发光二极管具体参数
中心波 前向电 波长范围 发光功率 查看半角 产品型号
无创血糖检测技术的研究进展
无创血糖检测技术的研究进展随着生活水平的提高，人们越来越注重健康问题，尤其是血糖的监测。
血糖水平是体内能量代谢的重要指标，在人体正常代谢过程中，血糖浓度的变化与身体健康息息相关。
目前常见的监测方法是经皮肤进行采血，但是这种方式的不便和疼痛对患者的生活带来了一定的困扰。
为此，科学家们一直在研发无创血糖检测技术，以便更加方便快捷地监测血糖水平。
一、研究方法1.1 基于近红外光谱法的检测技术“近红外光谱法”是利用近红外光谱仪器对分子的吸收和散射光谱进行分析，进而得出样品分子、元素和离子结构的一种分析技术。
目前，科学家们利用近红外光谱法研究无创血糖检测技术取得了一定的进展。
研究结果表明，血糖水平与近红外光谱的吸收谱有着密切的关系。
科学家们通过研究不同血糖水平的人的近红外光谱图，发现了一些血糖水平的相关波长。
通过进一步分析，科学家们成功地开发了基于近红外光谱法的无创血糖检测方法。
1.2 基于光学传感器的检测技术无创血糖检测的另一项研究技术是光学传感器。
光学传感器是一种新型的生物传感器，它通过光学信号将生物分子反应转化为可视或可测电信号，并利用计算机对该信号进行分析、处理和识别。
科学家们通过研究光学传感器所涉及的各种生物反应，确定了测定无创血糖的方法。
他们利用特殊的传感器从人体皮肤表面采集数据，并通过电脑算法解析数据，得出被测者的血糖水平，从而达到无创检测血糖的目的。
1.3 基于生物合成材料的检测技术生物合成材料是指利用生物学转化合成的材料，与人体生理机能具有极高的相容性和生物适应性。
在无创血糖检测领域，生物合成材料可以与人体皮肤紧密贴合，达到舒适和精确监测的目的。
科学家们利用生物合成材料制成的无创血糖检测传感器，可以直接放置于皮肤上，通过反应监测该位置的血糖水平。
这种方法不仅方便快捷，而且可以避免很多疼痛和创伤。
二、研究进展目前，无创血糖检测技术已经取得了长足的进展，同时也面临着一些挑战和限制。
2.1 技术的稳定性和准确性无创血糖检测技术在成像速度、信噪比、灵敏度和空间分辨率等方面还需要不断提高。
红外线技术在无创血糖监测与疾病诊断中的应用
红外线技术在无创血糖监测与疾病诊断中的应用
随着科技的不断进步，红外线技术已经成为现代医学领域中不可或缺的一部分。
它以其独特的优势，如非侵入性、实时性和高灵敏度等，为无创血糖监测和疾病诊断提供了新的可能性。
首先，让我们来谈谈红外线技术在无创血糖监测方面的应用。
传统的血糖检测方法需要通过针刺手指或静脉抽血来获取血液样本，这不仅给患者带来痛苦，还存在一定的感染风险。
而红外线技术则可以通过皮肤表面的红外光谱分析来监测血糖水平，无需穿刺皮肤。
这种方法不仅减轻了患者的痛苦，还提高了监测的准确性和便利性。
其次，红外线技术在疾病诊断方面也发挥着重要作用。
例如，在肿瘤诊断中，红外线成像技术可以帮助医生更准确地定位肿瘤的位置和大小，从而制定更有效的治疗方案。
此外，红外线技术还可以用于检测其他疾病，如心血管疾病、糖尿病等。
通过对患者身体的红外光谱分析，医生可以更早地发现潜在的健康问题，并采取相应的预防措施。
然而，尽管红外线技术在医学领域有着广泛的应用前景，但我们也不能忽视其中存在的问题和挑战。
首先，红外线技术的设备成本较高，这限制了其在低收入地区的普及和应用。
其次，由于红外线技术的特殊性质，其操作需要专业的技术人员进行培训和管理，这也增加了使用的难度和复杂性。
最后，红外线技术在某些情况下可能会受到环境因素的影响，如温度、湿度等，这可能会影响到监测结果的准确性。
综上所述，红外线技术在无创血糖监测和疾病诊断中具有巨大的潜力和优势。
然而，我们也需要认识到其中存在的问题和挑战，并努力寻找解决方案。
只有这样，红外线技术才能更好地服务于人类的健康事业。
用近红外线测定血糖
体温 的血糖 测 定仪
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野 田 等 人 的 研究是 用 光 学手 段实现 此理 想
的
。
为
简 易 型 测 定 仪 的准确度 与现 行 的 采血 测 定
已 达 到临床 应 用 的 水 平 油
,
注 射事故者占
。
兴奋剂使 用 者 占
纹 身者 占
兴奋剂滋 用 者中
0 %有 4
HC V
抗
3 % 肝功 能异 常 5
以 上 结果 说 明
,
输血 是 丙 型 肝炎感 染 的 主要 途 径 之 一
,
。
兴奋剂滥 用 者是 丙 型 肝 炎的高危 人 群
90 4 (
沈志 平 摘 自 《日 本消 化器 病学会 杂志 》 ( 日 文 )
日本已 研制出 约
,
野 田 等人 就是利 用 这 一 原 理
。 ,
测定 人
血 中葡 萄糖 浓 度 的 外 的光 吸 收物 质 响
。
但 机 体 内还 存 在葡 萄糖 以
。
0 种 病 人 自 己 可 以 测 定 血 糖 的 简便 仪 器 1 正 在 市场 销 售
。
并
所 以 必 须除掉 这 些 物 质 的 影
,
用 近 红 外 线 测 定 血 糖
日 本 自治 医科 大学 大宫 医 疗 中 心 内分泌 代
接近的 光线
,
,
波长大约为
80 ~
基于近红外光谱技术的人体血糖浓度无创检测系统的研制
基于近红外光谱技术的人体血糖浓度无创检测系统的研制
随着人们生活水平不断提高，健康成为了人们越来越关注的话题，尤其是糖尿病这种慢性病的发病率不断攀升，给人们的健康带来了严重威胁。
为此，研制基于近红外光谱技术的人体血糖浓度无创检测系统，对于糖尿病的早期预防和控制具有重要的研究意义。
在现有的人体血糖检测方法中，最为常见的是指尖穿刺血糖测试仪。
但这种方法对患者来说十分痛苦，而且需要频繁操作，不仅影响患者的生活质量，而且费用也较高。
因此，基于近红外光谱技术的无创检测系统具有其独特优势。
近红外光谱技术是一种新兴的光谱学分析技术，其将近红外光照射到样本上，测量样本散射和反射的光学信号，通过分析信号的特征波长来得出样品中代表性物质的质量浓度。
近红外光谱法具有分析速度快，无需给样品添加任何试剂，且具有较高的准确性和稳定性等优点。
在研制人体血糖浓度无创检测系统中，我们将采用近红外光谱技术对人体脉搏信号进行无创检测。
首先，通过对大量血糖参考数据的收集和分析，建立近红外光谱与血糖浓度之间的定量关系模型。
之后，在检测过程中，利用基于光纤的非接触式近红外光谱测量仪，对人体脉搏信号进行无创采集，将采集到的光谱数据输入到系统进行分析，得到人体血糖浓度数据。
在系统的实际应用过程中，我们将对系统的准确性、灵敏度、特异性、稳定性等进行全面测试。
通过大量的实验数据分析，
不断优化技术方案，提高系统的准确性和稳定性。
总体来说，基于近红外光谱技术的人体血糖浓度无创检测系统的研制，将对提高糖尿病早期预防和控制水平，促进人体健康发展，起到重要推动作用。
无创血糖监测技术研究
无创血糖监测技术研究随着人们日益关注健康问题，血糖监测成为了越来越多人关注的话题。
如果你或你身边的人患有糖尿病，相信你一定也有在穿针引线般使用血糖仪对血糖数值进行测量的经历。
但是，每一次需要进行血糖监测时，令人头疼的是，人们需要进行扎针抽血的过程。
尤其对于儿童、老年人等需要频繁监测血糖的人群来说，这一过程对其身心健康都是一种折磨。
因此，无创血糖监测技术的研究成为了近年来医疗界和技术界的热点。
一、为什么需要无创血糖监测技术众所周知，糖尿病在全球范围内影响着数以百万计的人们。
糖尿病患者的日常生活要求他们保持良好的生活习惯和饮食规划。
因为长期不规律的饮食和生活会导致身体逐渐出现代谢失调的问题，引发高血糖等并发症。
因此，对于糖尿病患者来说，长期的血糖监测是非常重要的。
然而，由于传统的血糖监测需要扎针抽血，对于一些患有抗体、免疫力较弱的人来说，无疑会增加感染的风险。
同时，扎针抽血的过程也会让很多人感到疼痛和不适，特别是面对需要频繁监测血糖的情况，这个过程将会很辛苦。
因此，研究一种无创血糖监测技术变得越来越重要，这种技术可以让糖尿病患者不再被扎针所困扰。
二、无创血糖监测技术的现状现代医学科技的发展，使得无创血糖监测技术得以快速发展。
目前市场上已经面世的无创血糖监测设备主要有三种：基于近红外光谱技术、电化学传感器和光学成像技术。
它们各自拥有着不同的优点和适配对象。
近红外光谱技术利用血液中吸收和反射红外光谱的特性来检测血液中的主要成分，从而测量血糖水平。
与传统的血糖监测相比，近红外光谱技术仅仅需要一些已知血糖水平的示范样本训练模型后，就能够快速准确地检测出血液中的血糖水平。
而且由于 near -infrared 紫外光是一种无害的光谱信号，所以这种技术对人体没有伤害，并且是一种非常方便的测试方式。
电化学传感器是一种用于电化学分析的电极。
这种传感器通过借助反应氧化还原电荷的流向或流动在电极表面的荷电粒子来进行血糖监测。
近红外光谱无创血糖检测技术研究
近红外光谱无创血糖检测技术研究**:**学号:**********专业:光学摘要:红外技术（Infrared Technique）是指以红外线的物理特性为基础。
红外线是由于物质内部带电微粒的能全发生变化而产生的，它是一种电磁波．处于可见光谱红光之外．突出特点是热作用显著。
红外线的波长介于可见光与无线电波之间．从0 .75µm～1000µm，可分为四个波段：近红外（0.75～3µm）、中红外（3～6µm）、远红外（6～15µm）、和极远红外（15～1000µm），红外线具光电效应，红外辐射效应，红外反射效应，大气传输特性等，这些特性为红外技术的应用CH）振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，而且利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点，因此该技术受到越来越多人的青睐。
糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病，其检查主要靠血糖含量判断，本文提出一种利用近红外光谱进行无创血糖含量的方法，从而能够对糖尿病进行判断。
关键词：红外技术近红外光谱血糖一、前言红外技术的英文名称是：Infrared Technique。
红外技术的内容包含四个主要部分： 1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。
2.红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。
3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。
4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。
由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题红外技术发展的先导是红外探测器的发展。
近红外光谱无创血糖检测技术研究全解
近红外光谱无创血糖检测技术研究**:**学号:**********专业:光学摘要:红外技术（Infrared Technique）是指以红外线的物理特性为基础。
红外线是由于物质内部带电微粒的能全发生变化而产生的，它是一种电磁波．处于可见光谱红光之外．突出特点是热作用显著。
红外线的波长介于可见光与无线电波之间．从0 .75µm～1000µm，可分为四个波段：近红外（0.75～3µm）、中红外（3～6µm）、远红外（6～15µm）、和极远红外（15～1000µm），红外线具光电效应，红外辐射效应，红外反射效应，大气传输特性等，这些特性为红外技术的应用CH）振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，而且利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点，因此该技术受到越来越多人的青睐。
糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病，其检查主要靠血糖含量判断，本文提出一种利用近红外光谱进行无创血糖含量的方法，从而能够对糖尿病进行判断。
关键词：红外技术近红外光谱血糖一、前言红外技术的英文名称是：Infrared Technique。
红外技术的内容包含四个主要部分： 1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。
2.红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。
3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。
4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。
由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题红外技术发展的先导是红外探测器的发展。
1100_1700nm近红外光谱无创血糖测量的OGTT实验研究
ln
(
I 0 (Κ) I (Κ)
)
=
2 Εi (Κ) ×li×C i
(1)
收物在对相应波长光的吸光系数; li 为光在相应吸 收物中的光程长; C i 为相应吸收物的浓度。
假定组织中所含有的多种组分中的每一种对光 的吸收作用均符合B eer2L am bert 定律。由该定律可 知, 样品的吸光度与待测成分浓度之间具有很好的 相关性, 样品成分的浓度变化会引起光谱特征吸收 的变化。首先通过对光谱数据A 和样品的浓度 C 建 立校正数学模型, 以后的测量中, 使用该校正数学模 型, 根据未知样品的近红外光谱数据A 即可预测得 到待测成分的浓度 C。
3 国家自然科学基金项目 (30170261) ; 国家十五科技攻关项目 (2001BA 706B 14)
∃ 联系人。E2m ail: kex in@ tju. edu. cn
研究的基本思路是先取得一定数量的有创血糖浓度 及对应的光谱数据并建立校正集模型, 在以后的测 量中即可使用校正集模型由光谱数据预测得出其血 糖浓度值。因此, 模型的优劣程度直接关系到近红外 无创血糖测量的精度。要建立一个好的模型, 则必须 要能够取得足够多, 范围尽量广, 可靠的血糖浓度参 考值。在血糖测量模型研究中, 通常采用O GT T (口 服葡萄糖耐量试验) 实验来获取模型数据。但在目前 的近红外无创血糖测量实验研究中, 血糖浓度预测 误差一般在 1 mm o l l 以上, 远远低于临床应用的要 求[3～ 5 ]。
式中: A Κ 为被测样品对特定波长光的吸光度; I0 与 I
近红外光谱主要反映含 C 2H、O 2H、N 2H 等键 分别为入射光强度和透射光强度; Εi (Κ) 为第 i 种吸
基团的化合物在中红外区域基频振动的倍频及合频
近红外无创血糖测量——基准波长浮动基准法的研究的开题报告
近红外无创血糖测量——基准波长浮动基准法的研究的开题报告题目：近红外无创血糖测量——基准波长浮动基准法的研究一、研究背景目前，糖尿病已成为全球性的慢性病之一。
糖尿病人群每天需要多次测量血糖水平，以便及时调节自身的药物、饮食等控制病情平衡。
而传统的血糖检测需采用静脉或指尖取血进行检测，十分不便。
因此，近年来，人们逐渐将目光转向了无创血糖检测技术。
无创血糖检测技术是指在不需要穿刺采血的情况下，通过某些技术手段对人体内的血糖进行测量。
近红外（Near-infrared, NIR）技术是一种无创、无辐射、无损伤的检测技术，已经被成功应用于生物医学、污染物检测、食品质量检测等领域。
近年来，人们也已经开始将其应用于无创血糖检测领域中。
本研究旨在探讨基准波长浮动基准法在近红外无创血糖测量中的应用，提高近红外无创血糖测量的准确性和稳定性。
二、研究内容和目标1. 分析和总结近红外无创血糖检测技术的发展现状及其优缺点；2. 探究并研究近红外无创血糖测量中的基准波长浮动基准法，并对其进行优化；3. 设计合适的近红外无创血糖测量实验，根据实验数据分析并评估其准确性和稳定性；4. 建立近红外无创血糖测量的多元回归模型，提高近红外无创血糖测量的对多因素的适应性；5. 对比实验结果，评估基准波长浮动基准法在近红外无创血糖测量中的应用效果。
三、研究方法和步骤1. 收集近年来有关无创血糖检测技术和近红外技术在无创血糖检测中的研究进展文献，系统总结现阶段的技术发展路线；2. 设计合适的近红外无创血糖测量实验，收集相关数据；3. 利用基准波长浮动基准法对实验数据进行优化和处理；4. 利用多元线性回归分析实验数据，建立近红外无创血糖测量的多元回归模型；5. 对比实验结果，评估基准波长浮动基准法在近红外无创血糖测量中的应用效果。
四、预期结果和意义1. 对各种无创血糖检测技术和近红外技术在无创血糖检测中的应用进行系统总结，为无创血糖检测技术的发展提供参考；2. 探究近红外无创血糖测量中的基准波长浮动基准法，并对其进行优化，提高近红外无创血糖测量的准确性和稳定性；3. 建立近红外无创血糖测量的多元回归模型，提高近红外无创血糖测量的对多因素的适应性；4. 评估基准波长浮动基准法在近红外无创血糖测量中的应用效果，提高无创血糖检测技术的应用前景和临床应用水平。
基于AOTF的近红外经皮无创血糖检测系统研究
基于AOTF的近红外经皮无创血糖检测系统研究文分析了光在手掌组织中的传播特性, 以及经皮近红外无创血糖浓度测量原理。
基于AOTF (声光可调谐滤波器) 分光系统, 构建了近红外经皮无创血糖检测系统,并利用该系统对3 名健康青年志愿者进行OGTT (口服葡萄糖耐量试验) 实验, 得到较好的测量结果。
三次实验中PLS (偏最小二乘) 校正集模型的RMSEP (预测均方根误差) 分别为0169mmol/ L 、0149mmol . / L 、0154mmol/ L 。
糖尿病及其并发症已成为严重威胁人类健康的世界性公共卫生问题。
目前还没有根治糖尿病的有效手段, 主要是采取控制血糖浓度以预防或减轻并发症的发生, 特别是通过频繁地监测血糖浓度并及时调整口服降糖药物和胰岛素的用量。
在各种血糖浓度测量方法中, 近红外光谱无创血糖检测技术具有检测快速、无创伤、不易感染、无污染等优点,是血糖测量技术的发展趋势, 也是能够真正实现糖尿病人实时自测血糖的最佳方案1 。
利用近红外光谱分析技术进行人体血糖浓度的无创测量, 已成为当前国内外研究的热点课题。
血液中的糖类主要是葡萄糖, 简称血糖。
其分子式为C6H12O6 , 包含有多个羟基(O H) 和甲基(C H) , 均是能够在近红外光谱区产生吸收的主要含氢官能团, 从而为利用近红外光谱测定葡萄糖提供了理论基础。
皮肤和大多数组织一样, 以葡萄糖和脂肪作为能源物质。
尤其在真皮乳头层中含有丰富的血管丛, 通过分析经过真皮的近红外光谱特征来测量血糖浓度, 被认为是一种可行的血糖浓度测量方法。
近年来, 近红外经皮漫反射光谱测量血糖浓度检测技术得到了较好的发展2 。
本文构建了近红外光谱无创血糖检测系统, 以手掌作为测量部位, 对真皮内的血糖浓度进行测量研究。
1 经皮漫反射光谱无创血糖测量原理。
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项目基金:国家自然科学基金(30170261)近红外无创血糖测量的研究3陈民森 陈文亮 杜振辉 徐可欣 蒋诚志(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室 天津 300072)摘 要 本文分析了光在手掌组织中的传播特性,以及经皮近红外无创血糖浓度测量原理。
基于AOTF (声光可调谐滤波器)分光系统,构建了近红外经皮无创血糖检测系统,并利用该系统对3名健康青年志愿者进行OG TT (口服葡萄糖耐量试验)实验,得到较好的测量结果。
三次实验中P LS (偏最小二乘)校正集模型的RMSEP (预测均方根误差)分别为0169mm ol/L 、0149mm ol./L 、0154mm ol/L 。
关键词 近红外 经皮的 无创血糖检测 糖尿病及其并发症已成为严重威胁人类健康的世界性公共卫生问题。
目前还没有根治糖尿病的有效手段,主要是采取控制血糖浓度以预防或减轻并发症的发生,特别是通过频繁地监测血糖浓度并及时调整口服降糖药物和胰岛素的用量。
在各种血糖浓度测量方法中,近红外光谱无创血糖检测技术具有检测快速、无创伤、不易感染、无污染等优点,是血糖测量技术的发展趋势,也是能够真正实现糖尿病人实时自测血糖的最佳方案1。
利用近红外光谱分析技术进行人体血糖浓度的无创测量,已成为当前国内外研究的热点课题。
血液中的糖类主要是葡萄糖,简称血糖。
其分子式为C 6H 12O 6,包含有多个羟基(O —H )和甲基(C —H ),均是能够在近红外光谱区产生吸收的主要含氢官能团,从而为利用近红外光谱测定葡萄糖提供了理论基础。
皮肤和大多数组织一样,以葡萄糖和脂肪作为能源物质。
尤其在真皮乳头层中含有丰富的血管丛,通过分析经过真皮的近红外光谱特征来测量血糖浓度,被认为是一种可行的血糖浓度测量方法。
近年来,近红外经皮漫反射光谱测量血糖浓度检测技术得到了较好的发展2。
本文构建了近红外光谱无创血糖检测系统,以手掌作为测量部位,对真皮内的血糖浓度进行测量研究。
1 经皮漫反射光谱无创血糖测量原理111 手掌组织的光学特性手掌组织具有明显的分层结构特性3,由表皮层、真皮层、皮下组织层和肌肉层组成。
其中,皮肤(包括表皮层和真皮层)的全层厚度约为4mm ,图1 近红外光在手掌组织中的传输示意图表皮层的厚度约为013mm 左右,具体厚度随不同人的年龄、性别等有所差别。
由于手掌组织的皮肤层较厚,而测量所用近红外光源能量相对较弱,因此,光子进入皮下脂肪组织和肌肉层的概率很低。
近红外光在手掌组织内的传输特性(见图1)。
I 0光射入手掌组织,忽略光在皮下组织层中的传递,则经手掌表面出射的光实际由3部分组成:入射光在手掌表面的镜面反射光I 1,直接由表皮层扩散反射出的光I 2,达到真皮层后扩散反射出的光I 3。
由于表皮层内不含有血管,皮肤组织中的血管都分布在真皮层中,因此,在经皮测量血糖浓度时,只需要分析经过真皮后扩散反射出来的光谱l 3下即可。
设某一波长入射光在手掌组织内传输的光程长为l λ,则其扩散反射光的表达式为:I 3(λ)=I 0(λ)e -μeff (λ)l λ(1)μeff (λ)为该波长光的有效衰减系数(mm -1)μeff =μeff-epi +μeff-derm(2)μeff-epi =3μs -epi [μa-epi +U s -epi (1-g epi )](3)μeff-derm =3μs -derm [μa-derm +μs -derm (1-g derm )](4)83现代仪器二○○四年・第四期式中,μeff-epi、μeff-derm分别为表皮层和真皮层的衰减系数,μa-epi、μa-derm分别为表皮层和真皮层的吸收系数,μs2epi、μs2derm分别为表皮层和真皮层的散射系数,g epi、g derm分别为表皮层和真皮层的各向异性因子。
在真皮层中,血液是影响光子吸收和散射的主要因素。
而对于血糖而言,由于葡萄糖分子结构中的羟基(O—H)和甲基(C—H)是能够在近红外光谱区产生吸收的主要含氢官能团,因此,血糖浓度的大小直接影响到μa2derm的大小。
则由(1)、(2)、(4)可以得出,经真皮后的扩散反射光强I3将随血糖浓度的改变发生相应的变化。
112 血糖浓度测量原理由111中分析可知,经真皮后的扩散反射光强I3与血糖浓度值之间存在一定的相关,根据其相关特性可由I3计算得到相应的血糖浓度值。
近红外光谱分析中,一般先由测量到的一定数量的参考血糖浓度值与其相对应的光谱数据建立校正集数学模型,以后的测量中,使用该校正集模型,根据近红外光谱数据即可预测得到相应的血糖浓度值。
由于近红外谱峰较宽,谱带重叠严重,为减少校正曲线的误差,必须使用多波长光谱数据建立校正模型。
本文作用P LS(偏最小二乘)回归法进行建模分析,其原理可以分为两步,第一步为矩阵分解,其模型为:A n×p=T n×f P f×p+E A(5)C n×m=U n×f Q f×m+E c(6)式中,A n×p为光谱矩阵,C n×m为浓度矩阵;T n×f 为光谱矩阵的得分矩阵,U n×f为浓度矩阵的得分矩阵,得分矩阵的列变量之间具有正交性质;P f×p为光谱矩阵的载荷(即主成分)矩阵,Q f×m为浓度矩阵的载荷矩阵,载荷矩阵的行变量之间具有正交性质;E A和E C分别为用P LS模型拟合光谱矩阵和浓度矩阵时引进的残差矩阵。
n为样品数目,p为波长数日,f为最佳主成分数目,m为组分数。
P LS的第二步,即为将T和U做线性回归:U n×f=T n×f B f×f(7)式中,B f×f为回归系数矩阵。
在预测时,由被测样品的光谱矩阵A和校正得到的P校正求出样品光谱的T未知,再按公式(6)求得样品的浓度:C未知=T未知BQ(8)文中P LS的计算采用NIPA LS(非线性迭代偏最小二乘)算法4。
使用完全交互验证法对校正数学模型进行评价,主要评价参数为相关系数R和预测集样本的标准偏差RMSEP。
R=Σni=1(^C i-C i)2Σni=1(^C—i-C i)2(9)RMSEP=Σni=1(^C i-C i)2n-1(10)式中,n为建模用的样本数,C i为标准方法测定得到的血糖浓度值,^C i为通过光谱测量及数学模型预测得到的血糖浓度值,^C—i为^C i的平均值。
2 近红外经皮漫反射光谱测量系统本文中的光谱测量系统采用100W钨灯作为近红外光源;分光元件为AOTF(声光可调谐滤波器)分光系统,分光范围为1100～1700mm,分为50个波长点;系统采用双光路法进行光谱测量,光信号由两个带半导体制冷器的InG aAs检测器检测,其中一路为不经过人体组织的参考光R,另一路为经人体组织扩散反射回来的测量光M;M、R的电压信号由多通道数据采集卡NI PCI-MI O-16XE-50进行采集;系统采用一个三维平移机构配合CC D摄像头和压力传感器来实现光纤测头在X、Y、Z轴的重复性定位。
针对人体漫反射光谱测量的特点,系统中光谱测量使用的传感元件为一个包含两路光纤束的光学测头,测头中的两路光纤为同轴结构。
测量时,测头与被测者的皮肤接触,测头中心的光纤束被用作光发射光纤,把近红外光传输到人体组织内。
与输入光纤成同轴圆环状的另一路光纤束被用作接收光纤,把人体组织中扩散反射回来的光传送到测量路检测器。
关于该系统的详细介绍参考文献[5]。
3 OG TT实验研究应用近红外无创血糖检测系统,本文对3位无糖尿病史的健康青年志愿者进行OG TT(口服葡萄糖耐量试验)实验研究。
采用日本京都公司的便携式血糖仪G LUC OC ARDII测量血糖浓度参考值。
每5min取血测量被测对象的静脉血糖浓度值,对应于每个参考血糖浓度点,定位测量得到该血糖浓度处手掌的漫反射光谱。
对每个被测对象,用测量得到的全部有效血糖93二○○四年・第四期研制与开发Study on non -invasive blood glucose detection by near -infrared spectroscopyChen Minsen Chen Wenliang Du Zhenhui Xu K exin Jiang Chengzhi(State K ey Laboratory of Precision measuring and Instruments ,T ianjin University ,T ianjin 300072)Abstract The character of light propagation in palm tissue is explained ,and the principle of non -invasive blood glu 2cose detection through transcutaneous near -in frared spectroscopy is present 1Based on AOTF (Acousto -Optic Tunable Filter )spectroscopic system ,measurement system for transcutaneous near -in frared (NIR )spectroscopy is estab 2lished 1Using our proposed NIR measurement system ,OG TT (Oral G lucose T olerance T est )experiments were performed to 3y oung healthy v olunteers ,and the RMSEPs (R oot Mean Square Error of Prediction )of P LS (Partial Least Square )calibration m odels were 0169mm ol/L ,0149mm ol/L and 0154mm ol/L 1K ey w ords Near -in frared Transcutaneous Non -invasive blood glucose detection 浓度值与相应的光谱数据建立P LS 校正集模型,并用完全交互验证法对该校正集模型进行评价。
实验结果得到三位被测对象的血糖浓度测量结果如图2所示。
当前公布的无创血糖测量研究成果中,较好的RMSEP 一般都在1mm ol/L 左右,而本文采用经皮近红外漫反射光谱分析系统进行血糖浓度测量研究,3次OG TT 实验的RMSEP 分别为0169mm ol/L 、0149mm ol/L 、0154mm ol/L ,结果比较理想。