近红外无创伤血糖测量的组织光学基础研究
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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 。
图 1 无创血糖测量涉及问题与相关学科 Fig. 1 D iscip lines associated w ith noninvasive glucose sens2 ing
1 无创伤血糖测量的研究内容
如图 1所示 ,人体血糖浓度的无创测量是一个 包含从临床医学 、组织光学 、计量化学 、仪器科学等 多方面的综合性问题 。这些研究内容和学科门类 , 这几部分互相关联 、互相制约 ,只有全面 、系统 、深入 地研究各个部分 ,才有可能取得最后血糖浓度无创 伤测量的成功 。 1. 1 葡萄糖在人体内的分布与糖代谢规律
万日元 [ 425 ] 。在我国 ,天津大学成立了无创血糖测量 小组 ,先后得到多项基金的立项资助 ,进行近红外无 创伤人体血糖浓度测量的专 项 研究 [ 627 ] 。尽 管多 年 以来在无创血糖检测领域的竞争十分激烈 ,也不断 有新的研究成果问世 。但迄今为止 , 没有任何公司
① 收稿日期 : 2007202204;修回日期 : 2007207204 基金项目 :国家自然科学基金项目 (30170261) ;广东省自然科学基金项目 (51207043) 作者简介 :罗云瀚 ( 1979— ) ,男 ,博士 ,主要研究生物医学光子学与应用光谱 。 (电子信箱 ) yunhan_ luo@ yahoo. com. cn 3 通讯作者 (电子信箱 ) kexin@ tju. edu. cn
糖浓度的变化将导致两方面的效应 : 吸收效应 和散射效应 ,即糖浓度的改变会散射系数 、散射系数 和散射相因子的改变 。由于这些问题的分析都依赖 于散射模型的建立 ,属于组织光学研究的范畴 。 1. 4 组织光学参数改变引起光的传输与分布特 性变化
光学参数的变化进一步引起光在组织中的传输 改变 ,而对于漫反射测量而言 ,最终的影响是漫反射 光强的绝对变化以及在不同位置的光强相对变化 。 根据光的传输特性及其分布规律分析合理设计光学 测头是组织光学在本研究中的目标所在 。 1. 5 光谱的拾取和光谱与血糖浓度的关系
a
s
异性因子 g的变化规律在国内外有一些研究 [ 8212 ] 。
方法有传输方程 、蒙特卡罗数值模拟 。要获取传输 方程的解析解是很困难的 ,几十年来传输方程只在 为数不多的几种理想情况下得到了解析求解 。蒙特 卡罗方法是一种重要的数值模拟方法 ,以随机数的 选择为基础 ,通过随机试验去求解众多类型的问题 。 运用蒙特卡罗方法不仅可以获得光整体分布规律 , 也可以记录光在组织中传输的具体过程量 。
变化 。 ( 2)水的摩尔浓度 Cw的减小 。单位体积内葡 萄糖浓度 的增 加必 然引 起其 它成 分 浓度 的 减 小 。
(3)葡萄糖的本征吸收的增加 。溶液总体的吸收 μa的 变化趋势由葡萄糖浓度的增加和水浓度的减小的幅度
以及它们的吸光截面来最终决定 。定量计算由于葡萄
糖浓度的变化引起的吸收系数 μ 、散射系数 μ和各向
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
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 ; ( 3 ) 各向异性因子 g逐渐增大 ;
( 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
或机构推出的无创血糖测量仪能够真正满足临床精 度要求 ,也无任何无创血糖测量仪器能够通过 FDA 认证 。其中有血糖信号十分微弱 、近红外的普现重 叠 、个体差异很大等固有的原因 ,也有一些研究机构 对基础问题尤其是对于组织光学方面研究不够深入 的原因 。
本文将分析无创血糖测量所包含的主要研究内 容出发 ,分析组织光学在其中的基础地位 ,并具体从 血糖浓度与组织光学参数的关系以及血糖浓度对漫 反射光影响两个方面展开讨论 。
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
A bstra ct:Noninvasive m easurem ent of blood glucose has becom e a wo rldw ide focused issue. A fter summ arizing the im 2
po rtance, current m ethodo logy, and p rogress about noninvasive m easurem ent of blood gluco se, the course of glucose effecting light p ropagation is analyzed in viewpoint of tissue op tics. A cco rding to the current situation in this field, som e key p roblem s relating to noninvasive gluco se sensing are raised up. The summ arization and analysis p ropo sed in this p resentation is expected to help advance the p rogress of bo th m ethodo logy and technology in noninvasive sensing of glu2 cose and o ther blood contents as well.
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
26 激 光 生 物 学 报 第 17卷
摘 要 :人体血糖浓度无创伤测量是当今学术界和医学界普遍关注的课题 。在分析了血糖浓度无创伤测量的
意义 、现有的测量方法及其进展后 ,从组织光学角度分析血糖浓度无创伤测量中包含的研究内容 ,并根据当前 的研究现状 ,提出血糖浓度无创伤测量所存在的问题 。通过组织光学角度对血糖浓度无创伤测量方法的剖析 , 更加明确血糖测量的研究任务 ,有望促使其更进一步的发展以及血液中其他成分的无创测量 。
LUO Yun2han1 , XU Ke2x in23
( 1. D epartm ent of Op toelectronic Engineering, College of Science and Engineering, J inan U niversity, Guangzhou 530612, Guangdong, China; 2. State Key Labo rato ry of Precision M easuring Techno logy and Instrum ent, Tianjin U niversity, Tianjin 300072, China)
关键词 :血糖浓度 ; 无创测量 ; 近红外光谱 ; 组织光学 中图分类号 : R318. 51 文献标识码 : A 文章编号 : 100727146 ( 2008) 0120024204
A Non inva sive M ethod for Blood G lucose Sen sing and Rela ting Research in T issue O ptics
当人体摄入葡萄糖后 ,通过血液循环系统使得 皮肤的糖浓度也会发生变化 ,然而当皮肤中的糖浓 度发生变化以后 ,细胞与细胞液之间由于浓度差别 形成渗透压 ,有可能引起细胞的形状发生改变 ,然后
进一步导致组织的光学性质的变化 ,这是组织光学 在更加微观尺度的体现 。 1. 3 组织特性变化引起组织的光学特性变化
图 3 是在组织模拟液 ( 10 % Intralip id)中加入的不同
量的葡萄糖后 ,采用双积分球系统测量得到在 1 600
nm 下的光学参数的变化规律 。图中横坐标是加入
不同浓度的葡萄糖后的溶液 ,纵坐标是光学参数 ,包
括吸收系数
μ 、散射系数 μ、各向异性因子
a
s
g以及约
化散射系Fra Baidu bibliotek μ’s。从图中可以看出 :随着溶液的葡萄
第 17卷第 1期 2008年 2月
AC
激 光 生 物 学 报 TA LA SER B IOLO GY S
IN
Vol. 17 No.
ICA
Feb. 2008
1
·基础研究 ·
近红外无创伤血糖测量的组织光学基础研究 ①
罗云瀚 1 , 徐可欣 23
( 1. 暨南大学理工学院光电工程系 , 广东 广州 530612; 2. 天津大学精密测量技术与仪器国家重点实验室 , 天津 30072)
2 无创伤血糖测量的组织光学问题
2. 1 血糖浓度与组织光学参数的关系
图 2 葡萄糖浓度对光学参数以及光传输影响的作用机 制 Fig. 2 Effecting m echanism of glucose concentration on op2 tical p roperties and light p ropagation
分析 。而吸收系数 μa综合了葡萄糖以及其他成分的
变化 ,最终呈现随糖浓度增加而增大 ,符合理论分析
的趋势 。
2. 2 光传输与分布的研究
研究光学参数对光的传输与分布的影响常用的
图 5 葡萄糖浓度与漫反射变化关系 Fig. 5 Change in diffuse reflectance due to gluco se concen2 tra tion
如图 2 所示 ,葡萄糖浓度 Cg的增加将引起的三 方面变化 : ( 1 )背景溶液折射率 n0的增加 ,这是因为 组织液的折射率小于葡萄糖的折射率 ,因此葡萄糖
分子进入组织液后 , 溶液的折射率将会增加 。背景
溶液折射率的增加 ,使得散射体与散射背景之间的
折射率差减小 ,从而引起散射系数和散射相函数的
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 1期 罗云瀚等 :近红外无创伤血糖测量的组织光学基础研究 25
体内主要的糖类是糖原和葡萄糖 。正常人体血 糖的浓度值在 3. 3 mmol/L 到 8. 3 mmol/L 之间 ,皮肤 的葡萄糖含量相当于血糖的 2 /3 左右 ,糖尿病患者 的皮肤含糖量可更高 。皮肤中的葡萄糖大部分都集 中于真皮组织 ,这是血糖无创测量的生理基础 。 1. 2 血糖浓度变化与组织特性的变化
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 。
图 1 无创血糖测量涉及问题与相关学科 Fig. 1 D iscip lines associated w ith noninvasive glucose sens2 ing
1 无创伤血糖测量的研究内容
如图 1所示 ,人体血糖浓度的无创测量是一个 包含从临床医学 、组织光学 、计量化学 、仪器科学等 多方面的综合性问题 。这些研究内容和学科门类 , 这几部分互相关联 、互相制约 ,只有全面 、系统 、深入 地研究各个部分 ,才有可能取得最后血糖浓度无创 伤测量的成功 。 1. 1 葡萄糖在人体内的分布与糖代谢规律
万日元 [ 425 ] 。在我国 ,天津大学成立了无创血糖测量 小组 ,先后得到多项基金的立项资助 ,进行近红外无 创伤人体血糖浓度测量的专 项 研究 [ 627 ] 。尽 管多 年 以来在无创血糖检测领域的竞争十分激烈 ,也不断 有新的研究成果问世 。但迄今为止 , 没有任何公司
① 收稿日期 : 2007202204;修回日期 : 2007207204 基金项目 :国家自然科学基金项目 (30170261) ;广东省自然科学基金项目 (51207043) 作者简介 :罗云瀚 ( 1979— ) ,男 ,博士 ,主要研究生物医学光子学与应用光谱 。 (电子信箱 ) yunhan_ luo@ yahoo. com. cn 3 通讯作者 (电子信箱 ) kexin@ tju. edu. cn
糖浓度的变化将导致两方面的效应 : 吸收效应 和散射效应 ,即糖浓度的改变会散射系数 、散射系数 和散射相因子的改变 。由于这些问题的分析都依赖 于散射模型的建立 ,属于组织光学研究的范畴 。 1. 4 组织光学参数改变引起光的传输与分布特 性变化
光学参数的变化进一步引起光在组织中的传输 改变 ,而对于漫反射测量而言 ,最终的影响是漫反射 光强的绝对变化以及在不同位置的光强相对变化 。 根据光的传输特性及其分布规律分析合理设计光学 测头是组织光学在本研究中的目标所在 。 1. 5 光谱的拾取和光谱与血糖浓度的关系
a
s
异性因子 g的变化规律在国内外有一些研究 [ 8212 ] 。
方法有传输方程 、蒙特卡罗数值模拟 。要获取传输 方程的解析解是很困难的 ,几十年来传输方程只在 为数不多的几种理想情况下得到了解析求解 。蒙特 卡罗方法是一种重要的数值模拟方法 ,以随机数的 选择为基础 ,通过随机试验去求解众多类型的问题 。 运用蒙特卡罗方法不仅可以获得光整体分布规律 , 也可以记录光在组织中传输的具体过程量 。
变化 。 ( 2)水的摩尔浓度 Cw的减小 。单位体积内葡 萄糖浓度 的增 加必 然引 起其 它成 分 浓度 的 减 小 。
(3)葡萄糖的本征吸收的增加 。溶液总体的吸收 μa的 变化趋势由葡萄糖浓度的增加和水浓度的减小的幅度
以及它们的吸光截面来最终决定 。定量计算由于葡萄
糖浓度的变化引起的吸收系数 μ 、散射系数 μ和各向
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
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 ; ( 3 ) 各向异性因子 g逐渐增大 ;
( 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
或机构推出的无创血糖测量仪能够真正满足临床精 度要求 ,也无任何无创血糖测量仪器能够通过 FDA 认证 。其中有血糖信号十分微弱 、近红外的普现重 叠 、个体差异很大等固有的原因 ,也有一些研究机构 对基础问题尤其是对于组织光学方面研究不够深入 的原因 。
本文将分析无创血糖测量所包含的主要研究内 容出发 ,分析组织光学在其中的基础地位 ,并具体从 血糖浓度与组织光学参数的关系以及血糖浓度对漫 反射光影响两个方面展开讨论 。
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
A bstra ct:Noninvasive m easurem ent of blood glucose has becom e a wo rldw ide focused issue. A fter summ arizing the im 2
po rtance, current m ethodo logy, and p rogress about noninvasive m easurem ent of blood gluco se, the course of glucose effecting light p ropagation is analyzed in viewpoint of tissue op tics. A cco rding to the current situation in this field, som e key p roblem s relating to noninvasive gluco se sensing are raised up. The summ arization and analysis p ropo sed in this p resentation is expected to help advance the p rogress of bo th m ethodo logy and technology in noninvasive sensing of glu2 cose and o ther blood contents as well.
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
26 激 光 生 物 学 报 第 17卷
摘 要 :人体血糖浓度无创伤测量是当今学术界和医学界普遍关注的课题 。在分析了血糖浓度无创伤测量的
意义 、现有的测量方法及其进展后 ,从组织光学角度分析血糖浓度无创伤测量中包含的研究内容 ,并根据当前 的研究现状 ,提出血糖浓度无创伤测量所存在的问题 。通过组织光学角度对血糖浓度无创伤测量方法的剖析 , 更加明确血糖测量的研究任务 ,有望促使其更进一步的发展以及血液中其他成分的无创测量 。
LUO Yun2han1 , XU Ke2x in23
( 1. D epartm ent of Op toelectronic Engineering, College of Science and Engineering, J inan U niversity, Guangzhou 530612, Guangdong, China; 2. State Key Labo rato ry of Precision M easuring Techno logy and Instrum ent, Tianjin U niversity, Tianjin 300072, China)
关键词 :血糖浓度 ; 无创测量 ; 近红外光谱 ; 组织光学 中图分类号 : R318. 51 文献标识码 : A 文章编号 : 100727146 ( 2008) 0120024204
A Non inva sive M ethod for Blood G lucose Sen sing and Rela ting Research in T issue O ptics
当人体摄入葡萄糖后 ,通过血液循环系统使得 皮肤的糖浓度也会发生变化 ,然而当皮肤中的糖浓 度发生变化以后 ,细胞与细胞液之间由于浓度差别 形成渗透压 ,有可能引起细胞的形状发生改变 ,然后
进一步导致组织的光学性质的变化 ,这是组织光学 在更加微观尺度的体现 。 1. 3 组织特性变化引起组织的光学特性变化
图 3 是在组织模拟液 ( 10 % Intralip id)中加入的不同
量的葡萄糖后 ,采用双积分球系统测量得到在 1 600
nm 下的光学参数的变化规律 。图中横坐标是加入
不同浓度的葡萄糖后的溶液 ,纵坐标是光学参数 ,包
括吸收系数
μ 、散射系数 μ、各向异性因子
a
s
g以及约
化散射系Fra Baidu bibliotek μ’s。从图中可以看出 :随着溶液的葡萄
第 17卷第 1期 2008年 2月
AC
激 光 生 物 学 报 TA LA SER B IOLO GY S
IN
Vol. 17 No.
ICA
Feb. 2008
1
·基础研究 ·
近红外无创伤血糖测量的组织光学基础研究 ①
罗云瀚 1 , 徐可欣 23
( 1. 暨南大学理工学院光电工程系 , 广东 广州 530612; 2. 天津大学精密测量技术与仪器国家重点实验室 , 天津 30072)
2 无创伤血糖测量的组织光学问题
2. 1 血糖浓度与组织光学参数的关系
图 2 葡萄糖浓度对光学参数以及光传输影响的作用机 制 Fig. 2 Effecting m echanism of glucose concentration on op2 tical p roperties and light p ropagation
分析 。而吸收系数 μa综合了葡萄糖以及其他成分的
变化 ,最终呈现随糖浓度增加而增大 ,符合理论分析
的趋势 。
2. 2 光传输与分布的研究
研究光学参数对光的传输与分布的影响常用的
图 5 葡萄糖浓度与漫反射变化关系 Fig. 5 Change in diffuse reflectance due to gluco se concen2 tra tion
如图 2 所示 ,葡萄糖浓度 Cg的增加将引起的三 方面变化 : ( 1 )背景溶液折射率 n0的增加 ,这是因为 组织液的折射率小于葡萄糖的折射率 ,因此葡萄糖
分子进入组织液后 , 溶液的折射率将会增加 。背景
溶液折射率的增加 ,使得散射体与散射背景之间的
折射率差减小 ,从而引起散射系数和散射相函数的
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 1期 罗云瀚等 :近红外无创伤血糖测量的组织光学基础研究 25
体内主要的糖类是糖原和葡萄糖 。正常人体血 糖的浓度值在 3. 3 mmol/L 到 8. 3 mmol/L 之间 ,皮肤 的葡萄糖含量相当于血糖的 2 /3 左右 ,糖尿病患者 的皮肤含糖量可更高 。皮肤中的葡萄糖大部分都集 中于真皮组织 ,这是血糖无创测量的生理基础 。 1. 2 血糖浓度变化与组织特性的变化