基于旋光法的无创血糖测量方法的研究

第26卷　第6期2009年　12月

生物医学工程学杂志

Journal of Biomedical E ngineering

V ol.26　N o.6

December　2009

基于旋光法的无创血糖测量方法的研究

金海龙Δ　葛　琴　综述　洪文学　审校

(燕山大学电气工程学院生物医学工程系,秦皇岛066004)

摘要　随着经济的发展,糖尿病的发病率日益上升,已经成为危害人类健康的一大罪魁祸首。及时、持续、准确地监测血糖值可以为饮食、运动以及药物治疗方案的调整提供可靠依据,使病情控制在满意的水平。无创血糖测量避免了频繁针刺采血,减轻患者的痛苦,还防止了感染的发生,给患者带来很大福音。我们比较了无创血糖测量的多种方法,重点介绍了旋光法的测量原理、存在问题及其解决方法和优点,为无创血糖测量技术研究提供依据。

关键词　血糖浓度　房水　旋光法　无创

中图分类号　Q63;R312 文献标识码　A 文章编号　100125515(2009)0621391204

Study on Noninvasive Measurement of Blood G lucose B ased on Optical Rotation

Jin H ailong　G e Q in　H ong Wenxue

(Depart ment of B iomedical Engineering,Yanshan Universit y,Qinhuang dao066004,China)

Abstract　With the development of economy,the incidence of diabetes is keeping on rising.It has been a larger chief offender endangering human health.G lucose monitoring in time,accurately and continuously can provide the basis for the adjustment of diet,exercise and drug treatment project,and can control disease at the level of satisfac2 tion degree.Noninvasive measurement of glucose avoids blood collection with high f requency,alleviates pain caused by blood sampling,and prevents infection.It comes with hope for the diabetic.In this article,we compare the kinds of techniques,introduce the theory,the problems of polarization rotation,the solving methods and the advantages, thus providing references for the noninvasive measurement of glucose.

K ey w ords　G lucose concentration Aqueous humor Polarization rotation Noninvasively

1　引　言

为了实现“绿色检测血糖”的美好愿望,血糖的无创检测技术研究已成为生物医学工程研究领域的一个热点。至此,研究者提出多种无创测量血糖的方法,主要有阻抗法、电化学法、微波法和光学法。

2　无创血糖测量方法的发展状况

2.1　阻抗法

当血液中的葡萄糖量改变时,其导电率也会随之变化,这一变化会使许多细胞膜产生极化现象。当在体外释放出可以在身体和感应器中产生交互作用的电磁时,通过这种释放电磁与探测器接收的回路可以感应血糖的变化。

根据此原理,在2003年瑞士一家医疗技术公司研制出一种手表式无创血糖测量仪———Pendra[1],

Δ通讯作者。E2mail:hljin@ 并且在欧洲已经获得许可提供给Ⅱ型糖尿病人作为随身监控的装置,但由于技术等原因,其准确性还不是十分令患者满意。

2.2　电化学法

实验研究证明,血糖浓度与体表渗出液中的葡萄糖浓度具有相关性。电化学法就是利用人体表面的渗出液(常用的有汗液、唾液)通过电化学的原理进行测量。美国Cygnus公司研制的手表式无创血糖仪就利用了这一原理,在2001年3月经美国FDA(Food and Drug Administ ration)批准使用[2]。

这种方法的特点是:使用比较方便,有较高的测量精度,但成本比较高,需要经常更换昂贵的测头。又由于组织或血浆中其它成分的影响,以及传感器对表皮的低穿透性,电化学传感器只能在有限的范围内使用。

2.3　微波法

当微波通过葡萄糖溶液时,溶液中的葡萄糖分

生物医学工程学杂志 第26卷

子对微波产生一定的阻抗,削弱其振幅并使其发生相移。该阻抗的大小因葡萄糖浓度的不同而不同,而且在同样的葡萄糖浓度下,该阻抗的大小还因微波频率的不同而变化。因此,选用3或4个适当频率的微波通过人体组织,根据检测到的微波变化情况,可测得血糖浓度[3]。

微波检测法的主要特点是:速度快,但微波通过人体组织时损耗较大,而且容易受其他离子的影响(尤其是钠离子),会对微波产生一定阻抗,给微波检测法的应用带来了一定的困难。

2.4　光学法

由于光学法有快速、信息多维化等特点,所以很受研究者的青睐。它包括近红外光谱法、中红外光谱法、旋光法、拉曼光谱法、声光谱法、光学相干成相法(Optical coherence tomograp hy,OC T)。

2.4.1　近红外光谱法　近红外波段范围为0176～3μm,能够穿入人体组织较深(5～10mm)。近红外光谱法基于葡萄糖分子的吸收特性。葡萄糖分子中的含氢官能团———羟基和甲基都能在近红外光谱区产生吸收。根据朗伯2比尔定律,随着样品成分的变化,其光谱特性也将发生变化。

但由于此方法选取的部位为带皮肤组织,在进行人体测量时,水、脂肪、皮肤、肌肉以及骨骼对近红外的吸收谱占大部分,比如,水和血红蛋白也含有能够产生近红外吸收的含氢基团,导致血糖的近红外吸收谱只占不到人体近红外吸收谱的011%。虽然近年来,在近红外光谱分析中采用多种多变量分析的化学计量学方法用以选取和血糖浓度相关的光谱数据,比如多元线性回归、主成分回归、偏最小二乘法、马氏距离等模式识别方法以及人工神经网络、遗传算法、小波变换、径向函数网络、阵列信号处理等方法,但是影响测量的因素仍然很多,比如体温的变化、病人服用药物后对近红外光谱的吸收等[4～6]。

2.4.2　中红外光谱法　中红外波段范围为3～30μm,对于大于2μm的红外,主要吸收体为水,主峰为2195μm和514μm。中红外光谱法是经皮测量的,而水在皮肤中的含量在60%以上,水会对中红外产生强烈的吸收作用。因此该方法不可靠,不适合用于无创血糖测量。

2.4.3　拉曼光谱法　当一束光入射到分子上时,除了产生与入射光频率ν0相同的瑞利散射光以外,还有频率为ν0+△ν的反斯托克斯线和ν0-△ν的斯托克斯线的散射光,这种光散射现象被称为拉曼效应。

拉曼光谱对于葡萄糖分子结构有很好的特征性,表现为在10～4000cm-1范围内有瑞利谱线,这是葡萄糖的定性原理。但是要想定量得到一被测样品的浓度非常困难。由于拉曼谱线受光源稳定性、样品自吸收等因素的影响,通过直接比较不同浓度样品间的拉曼谱线强度来进行定标是不精确的。有效的办法只有向样品中增加内定标物质或者用溶剂本身作为内定标物质,通过与定标物质的拉曼谱线强度做比较来定量。另外,生物组织的吸收和散射效应、蛋白质类分子产生的背景荧光信号强度经常与拉曼信号相当,使拉曼信号的检测极其困难。而且此方法需要较强的光源,考虑到安全问题,到目前为止,尚未见到此方法用于体内某成分浓度在体测量的临床数据发表。

2.4.4　声光谱法　采用脉冲激光束照射某一吸收物质,导致被照射区急剧快速的热膨胀,能量的热膨胀以声波的方式释放出来,通过收集声波的频率和强弱来推知被照射区的化学成分和含量。由于此方法引起被照射区域产生一系列物理变化,这些变化反过来会影响测量精度。

2.4.5　OCT　葡萄糖浓度的改变会引起真皮层衰减系数的变化,从而影响OCT信号,具体表现为在真皮层所对应的信号斜率变化。

1991年,Fujimoto等第一次提出OC T技术,此后它被广泛运用于医学成像和诊断分析[7]。Larin 等[8]提出用OC T技术无创测量血糖,并用波长为1300nm、功率为013mW、纵向和横向分辨率分别为10μm和14μm的OC T对15例健康人进行实验,有规律地获取了8437张OC T图像,并与426份血液生化分析得到的血糖值测量结果进行对比,结果显示OCT信号斜率的变化和实际血糖值有很好的相关性,平均每10mg/dl血糖的变化,OC T信号斜率相应改变119%。但由于此技术起步比较晚,而且受体液流动速度、体温变化等因素的影响,此方法仍在探索之中。

以上所述几种方法,尤其是光学法,由于都属于经皮测量,容易受体温、脂肪、蛋白质等因素的影响,而旋光法以其测量部位的特殊性显示出独特优势。

3　旋光法测量部位的选取

运用旋光法测量血糖,要求光源发出的信号透过身体某一含血糖部位,最后到达探测器。但是由于皮肤有较高的散射系数,即使是厚度小于4mm 的组织,也要求偏振计必须精确到毫度级,可见测量

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