血糖测量方法

1 引言

糖尿病(diabetes)是由遗传因素、免疫功能紊乱、微生物感染及其毒素、自由基毒素、精神因素等等各种致病因子作用于机体导致胰岛素分泌缺陷或胰岛素抵抗(Insulin Resistance，IR：胰岛素是人体胰腺β细胞分泌的降血糖激素。胰岛素抵抗是指体内周围组织对胰岛素的敏感性降低，外周组织如肌肉、脂肪对胰岛素促进葡萄糖摄取的作用发生了抵抗。) 而引发的糖、蛋白质、脂肪、水和电解质等一系列代谢紊乱综合征。在临床上引起的表现是以高血糖为特征的代谢性疾病。糖尿病是目前较为普遍的一种内分泌疾病，据世界卫生组织估计，到2025 年全世界将有3 亿糖尿病患者。在我国随着人民生活水平的不断提高，糖尿病的发病率也呈现出上升趋势，据国家疾病控制中心数据显示，我国的糖尿病患者已经超过三千万。中国医学论文网专业提供医学论文发表服务，并提供大量临床药学论文，如有业务需求请咨询网站客服人员！

在临床表现中，糖尿病患者无任何症状，如果未进行血糖测量很难分辨并确诊为糖尿病患者，等到出现症状时一般已经出现了各种糖尿病慢性并发症，因此血糖的测量对预防和治疗糖尿病具有十分积极的意义。

本文的主要内容是阐述了目前主要的无创血糖测量方法并对每种方法加以分析，在文章的最后提出了用磁共振方法测量血糖的可行性说明。

2 无创血糖测量技术的发展与现状

目前市场上常见的自我检测血糖仪产品可分为三大类创血糖检测仪：包括微创血糖检测仪、无创血糖检测仪和连续式血糖检测仪。目前，大多数自我监控血糖仪采用微创血糖检测方法。测血糖时，先将试纸插入血糖仪，然后滴血于试纸，血液中的葡萄糖会和试纸上的化学物质结合产生微小电流，并在一定时间内显示出血糖值，较之尿糖试纸，这种方法具有更高的准确度并且有着操作简单、操作速度较快等特点。虽然微创血糖监测具有许多优点，但它们的不便之处也是显而易见的，即检测时采血必须刺破神经密集的指尖，加之针刺的伤口对糖尿病来说极为不利的，因为糖尿病患者的伤口极易感染，极难痊愈。因此，许多公司和科研团体都在进行无创血糖测量仪器的研究。下面详细阐述了无创血糖测量的各种方法与当前的研究进展。

2.1 测量皮下渗出组织液的中血糖浓度的方法

这种方法是通过皮下渗出的组织液进行葡萄糖水平的检测。例如，葡萄糖手表。它是一种无创血糖值测量的工具，在实际使用中葡萄糖手表测定的并不是血液中的葡萄糖含量，而是组织液中的葡萄糖水平，其理论依据为血糖值和组织液中的糖糖量基本上是对等的。此表中国科技论文在线在外形上比一般手表略大，在表的背部有渗透液传感器模块用来接触皮肤，此模块包含一个微弱的电流并且通过微透析技术，利用透出皮肤的皮下组织液，测定其组织液的含糖量。一种新型研制的葡萄糖检测仪，Cygnus公司的Gluco Watch Biographer[1]，利用反向离子电泳技术，通过对渗出体液的分析，读出血糖值。此仪器可每10min读出一个数据，并可连续记录13小时，即78个血糖值，当糖尿病患者的血糖过高或过低时一起会自动发出警告声，虽然这种方法能够无创测量血糖值，但是其测定结果不如微创便携式血糖仪准确，反应也较慢，而且不能依据一次的测量值就更改药用胰岛素的剂量。所以它并不能代替微创的检测血糖仪，而只能是作为一种补充。

2.2 微波无创血糖检测法

这种测量方法的基本原理是，首先发射一定频率的微波，根据微波的特性在含有葡萄糖的溶液中，如果遇到了溶液中的离子特别是钠离子会影响微波的传播路径。这些离子会对微波产生一定的干

扰，例如削弱其振幅并使微波的频谱发生相移。这种影响因为每种葡萄糖溶液的浓度不同产生不同的变化。因此，选用数个适当频率的微波使其从不同方位通过人体组织，然后根据检测到的微波的频率和相位以及振幅的变化即可分析人体的血液中葡萄糖浓度从而达到测量血糖值的目的。微波检测法出了对血糖进行检测还可以无创测量其它物质的含量，如胆固醇、糖基蛋白质等。虽然微波检测法速度很快，但是当微波通过人体组织时，其损耗也比较大，这种情况也给微波检测法的应用带来了一定的困难。日本KokushikanUniversity Y.Nikawa 与D.Someya等人对微波检测法作了较深入的研究，他们的研究发现对于人体组织来说，当电磁波在人体中传导是如果低于10GHz 则其传导损耗较大，而高于30GHz 的电磁波主要损耗则为介电损耗。

2.3 皮下植入传感器方法的无创血糖测量

这种方法进行无创血糖检测的原理是用一个外表涂有一种可以对酸度变化及时做出正确反应的聚合物传感器来检测葡萄糖氧化酶的含量。具体的情况是当葡萄糖氧化酶遇到血糖后会发生一系列的化学反应，此种化学反应会产生一种酸性物质，这种物质会使葡萄糖聚合物大幅度的膨胀因此就改变了传感器的频率。随之对应于传感器的读数器把这些频率变化对应的用数字来显示，以此来表示病人血糖水平的变化。据相关研究表明，美国宾夕法尼亚州立大学已经研制出一种无线微型传感器，糖尿病患者只需将这种传感器植于表皮组织之下，然后根据传感器的电子读数就可以随时监控自身的血糖水平，同时可以向自己的主治医师传送实时的监测报告。研究小组组长Craig ? Grimes 声称，此种测量方法的一个十分重要的问题即在没有电线和发动装置的情况下，植入皮下的传感器应该如何工作并向外发出信号。他们采用的方法是和检测零售商品上电子标签一样的技术，如果贴上标签的产品没有经过特殊仪器的消磁，那么对应的标签在特殊制定的带有传感器的监测器下就会发出警报，Craig 用一种磁质弹性材料做成了类似于商店检测系统的传感标签。这种传感器表面涂有葡萄糖氧化酶，当这种化学物质遇到葡萄糖时会分解出一种特殊的酸性物质，这种酸性物质会使传感器膨胀，相应的就改变了传感器的震动频率，频率的改变就会使电子设备得到信号并且加以显示，从而得到血糖的变化。Medtronic Company 的产品Continuous GlucoseMonitoring System 就是基于这一原理，它应用一个植入式血糖传感器将其植入于皮下组织，一般情况下医生会将此传感器放在腹壁的皮下组织，因为操作较简单并且能够较准确的得到信号，通常数据只上传至病人主治医生的计算机里，供医生查阅。这个系统的一个问题是该电子植入传感器装置必须经常用常规的有创式血糖仪对其检测结果进行校正，否则上传的数据会与真实值存在一定的偏差。查看口腔科患者的心理护理。

2.4 人体的射频阻抗无创测量血糖值

根据射频阻抗的理论，当施加波长比红外线更长的电磁波对人体进行辐射时，因为葡萄糖是一种非离子可溶性的物质，它将吸收一定频率的电磁波，提取被吸收的频率的电磁波的特征值，进行定量的分析在理论上是可以由此得出血液的葡萄糖含量的。虽然在理论上这种测量方法是成熟可行的，但是在实际操作中，因为体液中还含有其他多种非离子可溶性物质，它们也会吸收电磁波，因此如何对应频率的葡萄糖吸收特征值分离及提取，得到确定的谱线分析是这种方法能否实际操作的关键。Megnetic Diagnotics 公司的Multi-analyte Meter就是利用这一理论设计出来的一种无创血糖检测装置。该项目的设计者试图用一种类似核磁共振成像原理的装置，对糖尿病患者的手指或其他部位采集到的血液用射频阻抗方法来进行分析。但目前该项目仅处于试验室研究阶段，相关资料未表明何时能进展到临床试验阶段。

2.5 利用能量守恒原理

进行无创血糖的测量人体内物质代谢过程就是能量代谢的过程，葡萄糖作为人身体主要的能源供给物质，在氧气供应充足的情况下，肌体内会产生下列化学反应：

C6H12O6 ?O2 ?H2O?CO2 ? ATP在这个化学方程式中，作为主要能源物质的葡萄糖的浓度变化会相应地引起人体代谢的变化，从而影响到人体体温等生理参数发生变化。因此Ok Kyung Cho[9]等人做出以下假设：

①人体产热=人体散热；

②人体处于静息状态，对外做功等于0；

③人体所产生的热量可以通过血糖浓度和氧容量等生理参数来进行描述；

④氧容量取决于血红蛋白浓度、血氧饱和度和毛细血管的血流量；⑤散热主要方式是热传导、热对流和热辐射。根据以上的五种假设，又依据能量守恒原则可得出以下结论：代谢产生的热量是血糖水平和氧容量的函数，氧容量是动脉血氧饱和度及血液流速的函数，脉搏跳动率作为一个参数来修正，因此只要测量出代谢产生的热量、血液流速、血氧饱和度和脉率就可以推算出人体血糖的水平。用这种方法测量人体血糖值，首先是采用相关理论建立人体表面对流换热的数学模型，根据人体热平衡数学模型，计算出人体局部(例如手指)代谢率，然后根据改进的热清除法计算出人体局部的血流速度，最后根据能量守恒建立其整体的数学表达式。有关详细实现的流程图。

2.6 利用唾液进行无创血糖检测

此种方法利用唾液进行葡萄糖含量的检测。一些临床医学研究数据表明血糖浓度与唾液中所含的淀粉酶成正比，所以通过测量人体口腔中唾液含淀粉酶的多少能够间接地知道被测体血糖浓度的高低。这种血糖的检测方法最主要的技术难关是对高灵敏度、高特异性的试纸进行开发，并且对检测装置的灵敏性也有较高的要求。第三军医大学的马显光等[11]利用了这一原理进行了无创血糖的检测，首先通过发光二极管发出一定波长的光，照射在用唾液特殊处理的试纸上，再经过线性度和稳定度都很好的光敏二极管来接收试纸反射的光，最后经过一系列信号处理后，送入显示器显示血糖浓度的相对高低。通过这一试验表明，用唾液检测人体血糖浓度的相对变化基本呈线性，稳定度和灵敏度较高，操作使用方便。但是从试验数据看出结果有一定的离散性，这可能是主要由于某些元件的噪声干扰造成的，如果将仪器完成开发并用于临床还需要进一步的改进。

2.7 超声波血糖检测仪

超声波血糖检测仪的原理是使用超声波发射仪器向皮肤发出一个低频超声光束，因为超声光束对人体内不同物质的穿透性，利用超声回波的反射结果就可以知道血液中葡萄糖分子的含量。美国研究人员新近研制成一种无痛测量糖尿病患者血糖值的超声波检测仪器，这种超声测试仪的准确率几乎与传统的采血检测法相似。由于是无痛测试，该仪器受到了糖尿病患者的普遍接受。此仪器利用糖尿病患者的超声波反射值的不同来定量检测人体的血糖含量，并可在4 小时内每15 分钟测量一次。虽然仪器准确高效，但是其结果的稳定性并未得到相关医疗部门的认可。

2.8 聚光断层摄影(Optical coherence Tomography)

OCT 技术在1991 年由Fujimoto 等人提出后，广泛用于医学影像及诊断。这种技术的原理是利用光线的聚集来对皮肤作断层扫描摄影，摄影后的结果会显示出不同组织的不同葡萄糖含量，因为每种组织中所含的葡萄糖有着不同的聚光折射指数从而能算出被测体的血糖值。研究表明，高解析度的聚光断层摄影技术可探测毫米级深度的组织，以此来减少表皮层对讯号的干扰。一项对健康受试者的研究表明，血液游离葡萄糖值的变化与OCT 讯号有很大的相关性，并且对血液葡萄糖含量的变动非常敏感，但是其对测量值的稳定性还需在糖尿病患者身上作进一步的研究。

2.9 旋光法无创血糖测量

旋光法无创测量血液葡萄糖值是根据光的偏光特性，通过测量透射光(或反射光)的偏转角，来得出人体的血糖浓度。其理论依据：

其中为特征偏转角，是测量的偏转角， C 为葡萄糖的浓度， L 为所测量的光程长。美国Texas A&M 大学的Cote Gerard L所属的课题组在旋光发无创测量血糖上做了大量的工作，他们首先利用旋光法对眼球前房自由水中的游离葡萄糖进行定量的检测，根据偏振光通过含有右旋葡萄糖的溶液时偏振光的接收偏振面会发生与葡萄糖浓度成比例的偏转的原理，来测量偏振光的偏转角度从而得出人体的血糖浓度。该方法的不足之处在于测量用的偏转角一般仅会发生微小的偏转从而导致了测量难度的加大，并且在自由水中的其它成分如蛋白质也会因为偏振光的影响而产生旋光效应，这些因素都会导致测量的偏差。此外，由于人眼测量的实现难度较大，患者不易接受，该方法目前尚无突破性的进展。

2.10 光声光谱法与激光拉曼光谱法

测量血糖光声光谱测量方法的原理是利用近红外激光脉冲与人体组织间的相互热作用而测量温度变化从而反映人体组织成分的一种方法。首先将近红外激光脉冲射入人体，人体组织的内部结构会由于不同种成分的分子对光的吸收作用不同而导致细微的局部变热，当温度持续升高引起快速的热膨胀后，放置于组织表面的温度和压力传感器就能检测到超声压力波，即光声信号。利用不同组织成分散发出的光声信号的幅度与频率的不同关系就可以检测出组织内部某种特定成分的含量。该方法具有灵敏性较高的特点，但其对组织内部结构的变化比较敏感，因而需要一个高灵敏度的体外传感器对检测器。目前，光声光谱方法在离体研究方面非常活跃，但研究成果仅有少量发表。当激光拉曼光谱作用于葡萄糖时会发生拉曼散射效应，即产生微弱的斯托克斯线(stokes line)和反斯托克斯线(antistokes line)。按照光量子理论，当入射光子和一个处于初态能级的分子作弹性碰撞后，光子与分子之间根据动量定理将发生能量交换，光子不仅会改变运动方向，还把一部分能量传递给被碰撞的分子，或从分子取得一部分能量用于本身的运动方向改变。由于拉曼散射光与瑞利散射光的频率之差(拉曼位移)和被撞分子的振动频率与所处能级有关，因此拉曼位移是表征物质分子振动与转动能级的一个物理量。激光拉曼光谱法就是利用该原理测得拉曼光谱的数据从而分析得到人体血液中葡萄糖的浓度。但是该方法有很多限制因素，由于生物组织的吸收和散射效应，普通的测量方法对检测拉曼信号极其困难，另外激光效应下产生的蛋白质类分子的背景荧光信号强度常常与拉曼信号相当。所以拉曼方法一般选用眼前房作为最佳测量部位，因为对眼睛的安全辐射剂量限制很大，导致入射光能较小，使能检测到的拉曼信号更加微弱。因此目前的研究状况显示，应用拉曼光谱方法对人体内成分检测领域的研究还处于起步阶段。

2.11 红外光谱法

无创血糖测量红外光按波长不同可划分为若干个区域，波长780nm～2500nm 的区域称为近红外区，波长2500nm～25000nm 的区域称为中红外区。在目前的无创血糖测量方法中红外光谱法是目前使用最广泛的无创血糖测量方法，主要通过人体对近红外线、中红外线或远红外线的分析，从频谱中提取血液的葡萄糖含量。

①中红外光谱法(MIR)：

在中红外波段葡萄糖的吸收受到其它物质的干扰量小，但由于水的强烈吸收，中红外光很难穿过皮肤进入内部组织，因而采用测量其热辐射光谱。

电磁波谱的近红外区为0.7~2.5μm，在该区域内，对于近红外光谱来说体液和软组织相对透明即穿透力强，而对葡萄糖油较弱的穿透能力所以是较为理想的检测光谱段。近红外无创血糖检测技术具有无痛楚、无感染危险、测量快速、无须任何化学试剂或消耗品等优点。

血糖近红外光谱定量分析的关键就是建立光谱数据和血糖度的关联关系。近红外光谱应用于血糖定量分析的方法是先选取一组具有代表性的、已知血糖浓度的样品作为校准集，测量出其近红外光谱，建立血糖浓度与近红外光谱之间的定量数学模型(校准模型)；再取另一组已知血糖浓度的样品作为预测集，将预测样品的近红外光谱书记代入校准方程，得到样品的预测值，用预测值和化学测定值的相关系数和相对标准偏差来衡量所建模型的可靠程度；然后用稳定可靠的模型来对未知样品进行测定。样品采集的波段直接影响模型建立的效果，光谱数据的预处理和所采用的化学计量学方法是提高信噪比获得好的分析结果的关键。其理论依据如公式所示的朗伯-比尔定律。

首先入射近红外光于指定的测量部位，然后接收并测量由组织扩散反射或透射的光能量，得到扩散反射光谱或透射光谱，根据比尔定律提取所需的信息，利用近红外光谱数字分析技术处理后计算待测成分的浓度。

目前，国际上有数十个科研机构正在开展近红外无创血糖仪的研究。德国的H.M.Heise研究组、美国Ohio 大学G.W.Small 研究组、Iowa 大学M.A.Arnold 研究组、桑迪亚国立实验室与新墨西哥医科大学Haland 研究组在这方面进行了大量的基础性研究[22][23][24]。

国内的研究虽然起步较晚，但对人体内无创近红外光谱检测技术也有数个研究小组进行了深入的展开。天津大学李晓霞等提出了基于光电容积脉搏波的产生机理和傅立叶变换的检测血液成分浓度的方法动态光谱的频域提取法，这种方法可以消除测量中由于皮肤组织和肌肉组织产生的大部分差异，从理论和实验两个方面说明了这种方法的优点，并通过实验直接提取了各波长中仅由血液成分产生的吸光度光谱图。针对人体内成分无创近红外光谱测量中，动脉血液的散射对于动态光谱测量的影响的问题，首次提出了基于动脉血厚度变化的蒙特卡罗模型。并仿真研究人体内成分无创近红外光谱检测中动脉血管厚度变化及其他组织厚度变化时接受光能量的变化情况，并从实验方面做出了证明。该方法对于近红外光谱无创检测血液成分的实际应用有着重要意义。

中国科学院长春所的张红艳等在对此项技术进行理论分析的基础上，建立了以Nicolet 公司的Nexus870 高精度傅立叶红外光谱仪为核心的近红外光谱分析测试系统，在国内首次对人体血糖检测进行了系统的研究。分析了葡萄糖粉末近红外光谱特性和光程长对排除水的吸收影响的效果，并以葡萄溶液为例详细研究并分析了近红外血糖检测的波段范围、数据的预处理方法和建模所采用的化学计量学方法，选择了含有葡萄糖吸收的7500～8500cm-1 和5500～6500cm-1 作为全谱分析区域，初步确定了基线校正、平滑和求导的光谱数据的预处理方法及最小二乘的建模方法。在此基础上通过对葡萄糖溶液、离体的血浆和全血及正常人实际的血清和全血进行了建模分析，进一步确定了血糖无创检测的建模波段和数据的预处理方法。张红艳等将血糖的离体检测和在体检测结合起来，采用全谱分析，并结合人体糖代谢的规律，进行了人体血糖的无创检测实验研究，通过对结果的分析得出人体血糖无创检测建模的最佳波段为7500～8500cm-1和无创测量的最理想位置是带有静脉的手腕处，其研究成果目前在国内处于领先。

由于近红外方法测量血糖需要时常校正，并且测定的结果易受个体因素的差别如水分、脂肪、皮肤、肌肉、骨骼、服用之药物、血色素浓度、体温及营养状态等影响导致光波的吸收谱线大不

相同。所以如何分析处理人体不同的组分带来的误差干扰是限制红外光谱无创血糖测量精度的主要因素之一，往往其检测结果仍然难以令人满意。

3 核磁共振方法