代谢热整合法无创血糖检测技术研究

代谢热整合法无创血糖检测技术研究

唐飞王晓浩王东生李俊峰徐效文

（清华大学精密仪器与机械学系精密测试技术与仪器国家重点实验室北京 10084）

摘要

介绍了一种新的基于代谢热整合法的无创血糖检测技术。采用温度传感器、红外传感器、湿度传感器和光学测量装置，通过测量人体代谢产生的热量、血液流速、血氧饱和度,利用人体代谢产生的热是血糖浓度、供氧量的函数 ,可以推算出血糖浓度。介绍了系统的组成、数据处理方法及可能造成误差的因素。用所研制的检测系统进行户喻床实验,得到的血糖值与用大型生化分析仪测得的血糖值的相关系数达到0.856。实验证明,代谢热整合法无创血糖检测技术是可行的.

一、引言：

糖尿病是一种常见的内分泌代谢病。 2003年全球糖尿病患者已达1.8亿 , 据估计,到2025年将达到 3 亿年我国糖尿病患者已超过500万，随着生活水平的提高,还有较快增长的趋势。目前还没有彻底根治糖尿病的方法，主要是通过频繁地监测血糖浓度,调整降糖药物的用量,以预防或减轻并发症的发生。医生建议糖尿病患者每日需进行至少 4 次以上血糖监测。无创血糖检测技术由于测量时无痛苦、无感染，可真正实现一日多次检测，是血糖检测的理想设备。日前无创血糖检测技术的研究多集中在光谱检测技术上,包括:近红外光谱法、中红外光潜法、远红外光谱法、拉曼光谱法、光声法和旋光法等由于受低灵敏度、低准确度等诸多问题的困扰，尽管已研究了很多年,仍没有太大进展[1-9]。本文介绍了一种新的基于代谢热整合法的无创血糖检测技术。临床实验表明,该方法效果良好,且优化空间较大。

二、检测原理：

研究发现，体内平衡的生理节律依赖于代谢热、局部氧供给量和血糖浓度之间的相互关系葡萄糖和血液当中的氧通通过血液循环系统供给全身细胞,葡萄糖最终氧化成水、二氧化碳和能量,能量以对流、辐射、蒸发等方式散发到周围环境当中。人体代谢产生的热量是血糖浓度、供氧量的函数、和血糖浓度、供氧量正相关【10】。代谢人整合法正式基于这一发现。由于供氧量是血氧饱和度和毛细需关注的血液流速的函数，因此代谢产生的热量可用下式表示：

(1)式中: H 为代谢产生的热量；G为血糖浓度；BF为血液流速；O为血氧饱和度。只要测出H、BF和O，就可以推算出血糖浓度G。

人体代谢产生热址的形式主要有辐射、对流和蒸发。辐射散热与皮肤的表面温度和环境温度有关。使用红外传感器测量皮肤表面温度,结合热敏电阻测量环境温度，根据

Stefan-Boltzmann【斯特藩-玻尔兹曼定律】法则可以得到辐射交换的热量：

(2)

在一定条件下，对流散热同样与皮肤的表面维度话环境温度有关。应用牛顿换热公式，可以将对流换热表示为：

（） (3)

式中：C式对流换热量；为对流换热系数；为体表温度；为环境温度。

蒸发散热与皮肤表面蒸发量有关，这里考虑人体皮肤表面看上去干燥、没有汗液造成湿

润的情况，这时处于隐性出汗(或者称为皮肤扩散 )状态,所造成的潜热损失用E表示。范格尔认为这种情况下皮肤扩散不受人体热调节系统控制,可以表示为【11】：

(4)

式中：E为蒸发散热量；r为水的汽化潜热；为皮肤渗透系数；为在皮肤温度下空气中水蒸气的饱和分压力；为环境水蒸气分压力。

将一个温度低于体表温度的导热体与体表接触后,由于存在温度差,体表与导热体之间会产生热传递,从而使体表温度发生改变。导热体两端的温度也会发生变化, 其变化量依赖于从体表到导热体的热传递量。而体表到导热体的热传递量取决于毛细血管中的血液流速。因此 ,通过测量导热体两端的温度变化,就可以推算出血液流速。

血氧饱和度信息可以通过光学法测量公式如下：

(5)

式中 :和分别是氧合血红蛋自浓度和血红蛋白浓度；和分别是血红蛋白对 2 种波长的光的消光系数；和棍I l h o Z 分别是氧合血红蛋白对2种波长的光的消光系数；和分别是动脉血所吸收的2种波长的光的光强度。

三、系统的组成：

检测系统通过温度传感器、红外传感器、湿度传感器和光学测量装置等,将反映代谢热量的温度、湿度、血液流速及血氧饱和度信息转化并最终反映为血糖浓度。如图 1 所示。

图l 测量系统组成示意图