血糖浓度变化的近红外光谱测量与分析
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随着人口的老龄化，糖尿病的发病率正呈逐年升高趋势，最近5年的世界糖尿病 发病率以每年11%的惊人速度增长。据世界卫生组织估计，到2025年全世界将有3亿 糖尿病患者。如此庞大的糖尿病人群不仅给患者及其家庭带来了痛苦，而且也给国 家和社会带来了沉重的负担，因此预防和治疗糖尿病具有十分积极的意义[2]。
最后在血糖模型实验基础上从组织光学角度对经皮血管模型的光学特性及近红 外吸收作了初步的理论分析。通过分析人体血管在皮肤中的分布及相关光学参数， 建立含有上层血管丛和深层血管丛的经皮光学模型。对该模型模拟计算表明近红外 光能够探测到真皮上层血管丛的血液吸收信号，并在此基础上分析葡萄糖浓度变化 对光学参数的影响。
本论文属于 保密□ ，在_____年解密后适用本授权书。 不保密□。
（请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
华中科技大学硕士学位论文
1 绪论
1.1 糖尿病及其检测方法发展
糖尿病是一种很常见的代谢内分泌疾病，是中老年人的常见病。就现阶段而言它 还是一种只能控制但却难以治愈的“不治之症”，世界卫生组织将它列为十大疑难 病症之一。
据资料统计，印度是目前世界第一糖尿病大国，拥有病人4000多万；中国居第二 位，有病人3000万；美国第三位，大约有1700万人－占总人口的6.2%；在欧洲，糖 尿病发病率也有2%。现在我国糖尿病的发病状况同样较为严重，已达2.5%，患者超 过三千万。与此同时，还有相当数量的葡萄糖耐量减低者(糖尿病的前期)，他们中每 年将有5%-15%的人转变为糖尿病。在发达国家60岁以上人群有近10%为糖尿病患者， 估计在中国60岁以上人群中糖尿病患者达8%以上。专家预测我国有可能继印度之后 成为世界第一糖尿病大国，这不仅因为中国人口基数最大，还因为中国经济发展快 速，使生活迅速改善的国人肥胖者骤增，肥胖者成为糖尿病易感人群。由肥胖引起 糖尿病患者约占糖尿病患者总数的90%-95%，糖尿病占死亡原因的前5位，是严重威 胁人类健康的疾病之一[1]。
Abstract
With the current finger-pick technique, tight glucose monitoring is difficult, as it is painful, inconvenient and expensive. Among several optical methods, near-infrared adsorption spectroscopy has been widely explored for both in vitro and in vivo glucose measurements since the NIR region contains the overtone and combination bands of glucose absorption. It’s glucose specificity, detection location and model calibration that need to be solved because of low glucose absorption, overlapped spectrum and individual differences. In this thesis, we measured and analyzed the absorption properties of blood glucose concentration changes with near-infrared spectroscopy by experiments in vitro.
The human blood absorption characters were analyzed through the blood sample absorption spectrum firstly, and the results proved water absorption peaks and showed that water absorption from plasma was much stronger than blood cell which had no selective absorption in near-infrared overtone regions. Then the absorption spectrum representation with blood glucose concentration changes were analyzed with blood glucose model which was developed based on the blood absorption characters. According to the results, we proved that the absorption intensity became stronger at glucose absorption peak (1732nm, 2168nm) with the higher blood glucose concentration, in reverse absorption at water absorption peak (1452nm, 1948nm) became weaker due to the interaction of water and glucose molecules. The absorption intensity at glucose and water absorption peak which were dealt with by statistics method proved that the NIR spectra was sensitive to the glucose concentration.
研究结果表明，利用 1732nm、2168nm 和 1452nm、1948nm 四个波长处的全血 吸光度测量结果，可在一定程度上表征 100－500mg/dl 范围内血糖浓度的变化，有望 实现人体血糖浓度变化的在体测量。
关键词：近红外光谱 血糖浓度 统计分析 经皮血管模型
I
华中科技大学硕士学位论文
The research indicates that blood glucose concentration changes in 100-500mg/dl could be distinguished in certain extent by measuring the absorption intensities at 1732nm,
The preliminary study of optical characters and near-infrared absorption with cutaneous blood vessels model was made following the blood glucose model experiments in vitro. Based on the analysis of cutaneous blood vessel structure，the light transport property in skin and the optical parameters of skin tissue，an optical model for normal skin of different blood content in both upper blood plexus and deep blood plexus was developed．The simulation results indicated that the collected diffuse reflectance signal could reflect the information of blood content in upper blood plexus. Then the influences of optical parameters with blood glucose concentration changes were analyzed.
华中科技大学 硕士学位论文 血糖浓度变化的近红外光谱测量与分析 姓名：白鸽 申请学位级别：硕士 专业：生来自百度文库医学工程 指导教师：骆清铭
20080527
华中科技大学硕士学位论文
摘要
静脉抽血检测血糖浓度是目前有效的糖尿病检测方法，但因其疼痛、不方便和 试纸昂贵使得不利于病人的自我检测，更不适用于血糖的连续监测。近红外光谱法 是当前最具应用前景的血糖光学检测法，但是由于葡萄糖信号微弱、近红外谱严重 重叠、个体差异等原因使得近红外血糖测量需要解决葡萄糖吸收特异性确定、测量 部位选择、模型建立校准等问题。本文主要从离体实验测量和分析血糖浓度变化的 近红外光谱吸收规律，映证血糖浓度与吸收强度的相关性。
糖尿病是一种由于胰岛素缺乏引起的代谢紊乱性疾病或者内分泌病，病症最初 为体内血糖失控，血糖浓度的异常导致体内代谢紊乱，引起糖尿病酮症、心脑血管 病变、肾病、失明等并发症[3]。它一般分为胰岛素依赖性糖尿病、非胰岛素依赖性糖 尿病和继发性糖尿病三种，其中非胰岛素依赖型多发病于青春期，是自身免疫性疾 病一种；非胰岛素依赖型常见于中壮年肥胖个体，患者胰岛素水平较高；继发型则 是由其他疾病引起的胰岛素分泌受损或不能正常发挥作用。
II
华中科技大学硕士学位论文
2168nm and 1452nm, 1948nm, which may result in a practical detection of blood glucose concentration in vivo.
Keywords: Near-infrared spectroscopy Blood glucose concentration Cutaneous blood vessels model
目前糖尿病较为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 进行严格控制，以减少或减轻由糖尿病导致的长期并发症。定期血糖检测能够让正 常人及时了解自身健康状况，防病与未然。临床上一般采用从体内抽取血液通过生
1
华中科技大学硕士学位论文
化检测进行分析，这属于有创检测，它不仅给患者带来一定的痛苦，而且消毒不彻 底的话，还会增加病人伤口感染甚至传染上其他疾病的机会，给需要经常验血的糖 尿病患者增加了额外的心理负担[2]。
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
首先测量人体血液样品的近红外吸收光谱，分析血液的吸收特性，证实水的吸 收峰，通过对水的吸光度分析计算表明血浆中水的吸收远远大于血细胞中水的吸收， 血细胞在近红外倍频区无选择性吸收。其次在此基础上构建血糖模型，分析血糖浓 度变化的吸收光谱表征。实验结果映证随着血糖浓度增加，葡萄糖吸收峰（1732nm、 2168nm）处吸收强度逐渐增强；水吸收峰（1452nm、1948nm）处，由于水浓度减小 引起吸收强度降低。同时用统计方法对葡萄糖吸收峰和水吸收峰吸光度进行分析， 映证近红外光对葡萄糖浓度的敏感性。
Statistics
III
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
最后在血糖模型实验基础上从组织光学角度对经皮血管模型的光学特性及近红 外吸收作了初步的理论分析。通过分析人体血管在皮肤中的分布及相关光学参数， 建立含有上层血管丛和深层血管丛的经皮光学模型。对该模型模拟计算表明近红外 光能够探测到真皮上层血管丛的血液吸收信号，并在此基础上分析葡萄糖浓度变化 对光学参数的影响。
本论文属于 保密□ ，在_____年解密后适用本授权书。 不保密□。
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1 绪论
1.1 糖尿病及其检测方法发展
糖尿病是一种很常见的代谢内分泌疾病，是中老年人的常见病。就现阶段而言它 还是一种只能控制但却难以治愈的“不治之症”，世界卫生组织将它列为十大疑难 病症之一。
据资料统计，印度是目前世界第一糖尿病大国，拥有病人4000多万；中国居第二 位，有病人3000万；美国第三位，大约有1700万人－占总人口的6.2%；在欧洲，糖 尿病发病率也有2%。现在我国糖尿病的发病状况同样较为严重，已达2.5%，患者超 过三千万。与此同时，还有相当数量的葡萄糖耐量减低者(糖尿病的前期)，他们中每 年将有5%-15%的人转变为糖尿病。在发达国家60岁以上人群有近10%为糖尿病患者， 估计在中国60岁以上人群中糖尿病患者达8%以上。专家预测我国有可能继印度之后 成为世界第一糖尿病大国，这不仅因为中国人口基数最大，还因为中国经济发展快 速，使生活迅速改善的国人肥胖者骤增，肥胖者成为糖尿病易感人群。由肥胖引起 糖尿病患者约占糖尿病患者总数的90%-95%，糖尿病占死亡原因的前5位，是严重威 胁人类健康的疾病之一[1]。
Abstract
With the current finger-pick technique, tight glucose monitoring is difficult, as it is painful, inconvenient and expensive. Among several optical methods, near-infrared adsorption spectroscopy has been widely explored for both in vitro and in vivo glucose measurements since the NIR region contains the overtone and combination bands of glucose absorption. It’s glucose specificity, detection location and model calibration that need to be solved because of low glucose absorption, overlapped spectrum and individual differences. In this thesis, we measured and analyzed the absorption properties of blood glucose concentration changes with near-infrared spectroscopy by experiments in vitro.
The human blood absorption characters were analyzed through the blood sample absorption spectrum firstly, and the results proved water absorption peaks and showed that water absorption from plasma was much stronger than blood cell which had no selective absorption in near-infrared overtone regions. Then the absorption spectrum representation with blood glucose concentration changes were analyzed with blood glucose model which was developed based on the blood absorption characters. According to the results, we proved that the absorption intensity became stronger at glucose absorption peak (1732nm, 2168nm) with the higher blood glucose concentration, in reverse absorption at water absorption peak (1452nm, 1948nm) became weaker due to the interaction of water and glucose molecules. The absorption intensity at glucose and water absorption peak which were dealt with by statistics method proved that the NIR spectra was sensitive to the glucose concentration.
研究结果表明，利用 1732nm、2168nm 和 1452nm、1948nm 四个波长处的全血 吸光度测量结果，可在一定程度上表征 100－500mg/dl 范围内血糖浓度的变化，有望 实现人体血糖浓度变化的在体测量。
关键词：近红外光谱 血糖浓度 统计分析 经皮血管模型
I
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The research indicates that blood glucose concentration changes in 100-500mg/dl could be distinguished in certain extent by measuring the absorption intensities at 1732nm,
The preliminary study of optical characters and near-infrared absorption with cutaneous blood vessels model was made following the blood glucose model experiments in vitro. Based on the analysis of cutaneous blood vessel structure，the light transport property in skin and the optical parameters of skin tissue，an optical model for normal skin of different blood content in both upper blood plexus and deep blood plexus was developed．The simulation results indicated that the collected diffuse reflectance signal could reflect the information of blood content in upper blood plexus. Then the influences of optical parameters with blood glucose concentration changes were analyzed.
华中科技大学 硕士学位论文 血糖浓度变化的近红外光谱测量与分析 姓名：白鸽 申请学位级别：硕士 专业：生来自百度文库医学工程 指导教师：骆清铭
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摘要
静脉抽血检测血糖浓度是目前有效的糖尿病检测方法，但因其疼痛、不方便和 试纸昂贵使得不利于病人的自我检测，更不适用于血糖的连续监测。近红外光谱法 是当前最具应用前景的血糖光学检测法，但是由于葡萄糖信号微弱、近红外谱严重 重叠、个体差异等原因使得近红外血糖测量需要解决葡萄糖吸收特异性确定、测量 部位选择、模型建立校准等问题。本文主要从离体实验测量和分析血糖浓度变化的 近红外光谱吸收规律，映证血糖浓度与吸收强度的相关性。
糖尿病是一种由于胰岛素缺乏引起的代谢紊乱性疾病或者内分泌病，病症最初 为体内血糖失控，血糖浓度的异常导致体内代谢紊乱，引起糖尿病酮症、心脑血管 病变、肾病、失明等并发症[3]。它一般分为胰岛素依赖性糖尿病、非胰岛素依赖性糖 尿病和继发性糖尿病三种，其中非胰岛素依赖型多发病于青春期，是自身免疫性疾 病一种；非胰岛素依赖型常见于中壮年肥胖个体，患者胰岛素水平较高；继发型则 是由其他疾病引起的胰岛素分泌受损或不能正常发挥作用。
II
华中科技大学硕士学位论文
2168nm and 1452nm, 1948nm, which may result in a practical detection of blood glucose concentration in vivo.
Keywords: Near-infrared spectroscopy Blood glucose concentration Cutaneous blood vessels model
目前糖尿病较为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 进行严格控制，以减少或减轻由糖尿病导致的长期并发症。定期血糖检测能够让正 常人及时了解自身健康状况，防病与未然。临床上一般采用从体内抽取血液通过生
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华中科技大学硕士学位论文
化检测进行分析，这属于有创检测，它不仅给患者带来一定的痛苦，而且消毒不彻 底的话，还会增加病人伤口感染甚至传染上其他疾病的机会，给需要经常验血的糖 尿病患者增加了额外的心理负担[2]。
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
首先测量人体血液样品的近红外吸收光谱，分析血液的吸收特性，证实水的吸 收峰，通过对水的吸光度分析计算表明血浆中水的吸收远远大于血细胞中水的吸收， 血细胞在近红外倍频区无选择性吸收。其次在此基础上构建血糖模型，分析血糖浓 度变化的吸收光谱表征。实验结果映证随着血糖浓度增加，葡萄糖吸收峰（1732nm、 2168nm）处吸收强度逐渐增强；水吸收峰（1452nm、1948nm）处，由于水浓度减小 引起吸收强度降低。同时用统计方法对葡萄糖吸收峰和水吸收峰吸光度进行分析， 映证近红外光对葡萄糖浓度的敏感性。
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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。