光学无创血糖检测中的主要问题及研究进展
近红外无创血糖测量原理
近红外无创血糖测量原理近红外无创血糖测量技术是一种新型的血糖监测方法，其原理是利用近红外光通过皮肤组织时，与组织内的葡萄糖发生相互作用，从而推断血液中的葡萄糖浓度。
这种技术可以不用抽血，直接通过皮肤测量血糖，有效地减轻了糖尿病患者的痛苦和负担。
首先，了解近红外的特性对理解这种原理非常重要。
近红外光谱位于可见光和红外光之间的一段波长范围内，具有较高的穿透能力。
当近红外光通过皮肤时，它会与组织内的分子发生相互作用，并产生反射、散射和吸收。
这种相互作用可以提供与组织内分子的浓度和结构相关的信息，如葡萄糖浓度。
其次，葡萄糖分子在近红外光的作用下表现出独特的反射和吸收特性。
近红外光谱中存在几个特征峰，其中一个与葡萄糖浓度直接相关。
当近红外光通过皮肤时，它会被组织内的葡萄糖吸收，导致该特征峰的吸收增加或减弱。
通过测量吸收的变化，可以推断出血液中的葡萄糖浓度。
不仅如此，近红外无创血糖测量技术还需要借助模型来进行数据处理和分析。
这些模型是通过大量实验获取的，包括已知葡萄糖浓度的样本和相应的近红外光谱数据。
通过数据处理和模型训练，可以建立近红外光谱与葡萄糖浓度的关系模型。
当要测量血糖时，只需要测量近红外光的反射和吸收，然后与模型进行对比分析，从而得出血糖浓度。
这种近红外无创血糖测量技术具有许多优势。
首先，由于无需穿刺采集血液样本，可以有效减轻患者的痛苦和不适感。
其次，这种技术可以实时监测血糖，提供即时的结果和反馈，方便患者及时调整饮食和胰岛素注射等控制血糖的措施。
此外，这种方法无需专业人士操作，患者可以在家中自行测量血糖，提高了监测的便捷性和隐私性。
然而，近红外无创血糖测量技术也存在一些问题和局限性。
首先，由于每个人的皮肤和组织特性不同，需要针对不同人群建立专属的模型，否则可能导致测量误差。
其次，一些因素如环境的干扰、皮肤温度的变化等，都会对测量结果产生一定的影响，需要进行校准和误差修正。
此外，由于目前技术的限制，近红外无创血糖测量技术并不适用于所有糖尿病患者，部分患者仍需使用传统的抽血测试方法。
偏稳健M回归在人体血糖浓度近红外无创检测中的应用
偏 稳 健 Ｍ 回 归 在 人 体 血 糖 浓 度 近 红 外 无 创 检 测 中 的 应 用
李庆 波 ，阎侯 赖 ，李 丽娜 ，吴 瑾 光 ，张广 军¨
１ ．北京航空航天大学仪器科学与光电 啊呈学院，精密光机电 一体化技术教育部重点实验室 ，北京
２ 京 人 学 化学 与分 子工 程 学 院 ， 京 １０ ７ ．北 北 ０８１
特点 ， 是无创伤血糖测量研究的主要手 段 ，主要包括 近红外 （ ｅｒ ｎｒｒｄ Ｒ） 谱法 、中红外 光 谱法 、拉 曼光 谱法 、 ｎ ａ ｆ ｅ ，ＮＩ 光 ｉ ａ
旋 光 法 等 ｌ ｊ ２ 。 近红 外 光 波 长 范 围 为 ７ ０ ２５ ６ｎ ８ ２ ｍ，对 体 液 和 软 组 织
中图分类号 ： ６７３ ０ ５ ．
引 言
糖尿病及 其并发症 已成 为严重威胁人类健康甚至生命安
全 的 全球 性 疑难 病 症 。为 了克 服 目前 大 多 数 血 糖 浓 度 检 测 方 法 有 创 、 交 叉 感 染 、 易 实 现 连 续 监 测 等 缺 陷 ，血 糖 无 创 易 不
检测方法的研究成 为国内外 医学检测领域 的热点 。近年来 出
现 了 如 阻抗 各 种 无 创 测 量 方 法 ｌ 。 对 于 其 他 方 法 ， 学 方 法 具 有 快 速 、信 息 多 维 化 等 】 相 ］ 光
Ｐ Ｉ Ｓ模型 的预测精度进行 比较和分析 。
１ Ｐ Ｍ 算法 Ｒ
鉴 于 经 典 Ｐ Ｓ 叵归 对 于 含有 奇 异 点 的 样本 很 敏感 ， Ｌ Ｉ Ｃ ｍｍｉｓ 提 出 的 迭 代 变 权 偏 最 小 二 乘 （ｔｒｔ ｅ ｅ ｕ ｎ等 ｉ ａｉ ｌ ｒ— ｅ ｖｙ ｗ ｉｈｅ ａｔ ｌ ｅｓ ｓｕｒｓ Ｒ Ｌ ） 有 计 算 较 快 的 特 ｅｇ ｔｄｐ ｒｉ ａｔ ｑ ａｅ，Ｉ Ｐ Ｓ 具 ａｌ 点 ｌ 。 是 ，Ｈｕ ｅｔ 指 出这 种 算 法 对 杠 杆 点 没 有 稳 健 性 ， １ 但 ｂ ｒ等 继 而 提 出稳 健 ＳＭＰ Ｓ Ｒ Ｉ Ｌ ） 法 ｌ Ｉ Ｌ （ ＳＭＰ Ｓ 算 】 。此 法 具 有 很 好
血糖检测新进展
血糖检测新进展糖尿病是由于胰岛素分泌缺陷或生物效应降低引起的一种新陈代谢疾病。
引起肢体坏死、肺结核、肾衰、失明等并发症，严重危害人类健康，据世界卫生组织预测到2025年全世界糖尿病人数将上升到3亿，我国在最近15年内患者总数增加近3倍，已达3000多万，每年还在以1%的进度增长。
因此防治糖尿病已到了刻不容缓的地步。
因为糖尿病是一种终身性基因遗传性疾病，目前没有彻底根治的方法，只能采用自我检测等方法来监控病情，所以对糖尿病患者血糖浓度进行频繁监测是糖尿病控制的一个重要手段。
现在国内外使用的血糖监测方法主要包括有创检测，微创检测，无创监测和动脉连续监测法。
下面就这几种方法进行一下综述。
1有创检测传统检测血糖常用的方法是从体内抽血提取血液样品，进行生化分仪，属于有创检测。
早期方法为邻甲苯胺法，此法对葡萄糖、半乳糖、木糖甚至抗坏血酸均有反应，邻甲苯胺对葡萄糖特异性较差，而且酸性溶液对测定管道有损坏，因此近年逐步被淘汰。
葡萄糖氧化酶法（GOD）是目前应用检测血糖最广泛的方法，本法基本上不受其它化合物的干扰，生成的红色琨类化合物的量比葡萄糖含量成正比。
近年应用己糖激酶法（HK），此酶将葡萄糖转化为葡萄糖6磷酸（G6P），当有另外的葡萄糖6磷酸脱氧酶（G6PD）存在时，可以测定此酶还原NADP的能力而测定葡萄糖。
实现各检测系统测定的可比性，对临床诊断和治疗有非常重要的价值，除了要做好室内质控外还应建立可溯源的目标检测系统，将结果进行比较，使结果具有可比性[1]目前世界卫生组织推荐GOD法和HK做为血糖测定的参考标准，建议静脉血浆葡萄糖做为测定和报告血糖浓度的标准方法[2]认为其结果稳定可靠，但耗时太长不方便患者，给患者带来痛苦，容易造成各种体液传染性疾病的传播，而且当时看不到结果。
因此生化分析法应用受到一定限制。
2微创检测1968年第一台血糖仪问世，采指尖1滴血就可以自行检测血糖，属微创检测。
其检测原理早期为葡萄糖氧化酶比色反应。
人体血糖微创和无创伤快速检测方法
论是实验室研究 ， 还是仪器的开发 和验证都处于探
索和改进阶段。 ２ １ 无创 伤检 测的 研究方 法 ． ２ １ １ 葡萄糖 的吸收谱带 血液 中的糖类 主要是 ．． 葡萄糖， 简称血糖 。其分子式为 ｃ Ｈ Ｏ ， 包含有多
个 羟基 （ Ｏ—Ｈ） 甲基 （ 和 Ｃ—Ｈ） 和羰 基 （一ｃ＝ｏ） 基
维普资讯
绿述与 膏论
人体血糖微创和无创伤快速检测方法
王会清 骆 清铭 （ ．华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室 武汉 ４ ０ ７ ） １ ３ ０ ４ （， ２ 武汉工程大学计算机科学与技术学院 武汉 ４０７ ） ３ ０ ３
摘
要
概述国内外人体血糖微创伤检测方法和仪 器的现状， 介绍近年来人体血糖无创
２ ２ 无创 伤检 测方 法 ．
团， 都能够在近红外光谱区产生吸收 ， 为利用近红外 光谱测定葡萄糖提供理论基础 。皮肤和大多数组织 样， 以葡萄糖 和脂肪作为能源物质。尤其在真皮 乳头层中含有丰富的血管丛 ， 通过分析穿过皮肤 的
一
２ ２ １ 近红外吸收光谱方法 ．．
最有代表性的在体
近红外光谱特征来测量血糖浓 度， 被认 为是一种可 行 的血糖浓度测量方法 。 葡萄糖伸缩振动能产生很强的合频和倍频吸收 带。葡萄糖水溶液 的红外 （ ． ２ ５ ２ ０— ． ｍ） 波段有 吸 收峰 ， 其光谱是 唯一 的。但葡萄糖红外 区的合频 和 倍频光谱与水 、 脂肪和血红蛋 白电子吸收波段 的几 个合频和倍频频率相互重叠 ， 被其它成分 的光谱所
至生命 。目前还不能根治糖尿病 ， 主要是通过频 繁
地监测血糖浓度并以此为依据 ， 精确 、 及时调整 口服
速、 简便等特点 ， 由固定化酶和 电极制成 传感 器试
无创血糖仪准确吗
无创血糖仪准确吗在现代医疗技术不断发展的今天，血糖仪已经成为了许多糖尿病患者日常生活中不可或缺的工具。
而随着技术的进步，无创血糖仪逐渐进入人们的视野。
然而，一个关键的问题随之而来：无创血糖仪准确吗？要回答这个问题，我们首先需要了解一下传统的有创血糖仪和新兴的无创血糖仪的工作原理。
传统的有创血糖仪通过采集指尖血进行检测。
这种方法相对来说准确性较高，因为它直接测量的是血液中的葡萄糖含量。
但是，它存在一些明显的缺点。
比如，每次测量都需要刺破手指，这会给患者带来疼痛和不便，而且长期频繁的采血还可能导致手指感染、皮肤硬化等问题。
无创血糖仪则试图避免这些问题。
目前常见的无创血糖仪主要有以下几种技术原理。
一种是通过光学技术，利用红外线、近红外线或者拉曼光谱等方法来检测葡萄糖。
这些技术通过检测光线在人体组织中的散射、吸收或者反射情况，从而推测出葡萄糖的浓度。
另一种是通过代谢热整合法，根据人体在代谢葡萄糖时产生的热量变化来估算血糖水平。
还有一种是通过反向离子渗透技术，从皮肤表面提取组织液进行分析。
然而，尽管无创血糖仪的技术听起来很先进，但它们在准确性方面仍然面临一些挑战。
首先，人体的生理环境非常复杂，会受到多种因素的影响。
比如，皮肤的厚度、水分含量、温度、血液循环情况等都可能干扰检测结果。
这使得无创血糖仪在不同个体之间的测量结果可能存在较大的差异。
其次，目前的无创血糖仪技术还不够成熟。
与经过长期验证和优化的有创血糖仪相比，其测量的精度和稳定性还有待提高。
再者，一些无创血糖仪在使用时需要特定的条件和操作规范，如果患者没有正确使用，也会影响测量的准确性。
但是，我们也不能完全否定无创血糖仪的价值。
对于一些需要频繁监测血糖但又惧怕采血疼痛的患者来说，无创血糖仪提供了一种更易于接受的选择。
而且，随着技术的不断发展和改进，无创血糖仪的准确性有望逐步提高。
在实际应用中，如果患者对血糖的监测要求非常精确，比如需要根据血糖值来调整胰岛素的剂量，那么目前有创血糖仪可能仍然是首选。
用于血糖无创检测的葡萄糖传感器研究
龙 血糖仪 、 三诺安稳 血糖 仪等 ， 均通 过采集 指尖 的血液 ， 滴 加 到血糖 仪试纸上 ， ２ ５ Ｓ 后 自动显示数 据 ， 实现 了仪 器 的便
携式、 家庭化 ， 病人可 自主检测 。但 主要 的问题是频繁的指
数第 二 大 国 ， ２ ０岁 以上 的成 年 人 中糖 尿病 发 病 率 高 达
ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ． Ｕｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｔ ｌｙ ａ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｇ ｌ ｕ ｃ ｏ ｓ ｅ ｏ ｘ ｉ ｄ ａ ｓ ｅ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｆ ｉ ｘ ｅ ｄ ｉ ｎ ｐ ｏ ｌ ｙ ｅ ｔ ｈ ｙ ｌ ｅ ｎ ｅ ｏ ｘ ｉ ｄ ｅ ｇ ｅ ｌ ， ｔ ｈ ｅ ｇ ｌ ｕ ｃ ｏ ｓ ｅ ａ ｎ ｄ
现了指尖血糖采血 的血糖 仪 ， 如， 罗 氏安稳 型血糖 仪 、 欧姆
据 ＷＨＯ统计 ， ２ ０ ０ ８年全世界共有 １ ． ８亿 糖尿病 患者 ，
到２ ０ ３ ０年 ， 这 一数 字将增 加 ｌ倍 以上 。２ ０ ０ ７年 ， 中国糖
尿病患者人数 ３ ９ ８ ０万 ， 仅次于印度成为全球糖尿病 患者人
Ｃｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ ４ ０ ０ ０ ５ ４， Ｃｈ ｉ ｎ ａ；
２ ． Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ Ｈｕ ｌｕ ａ ｎ Ｍｅ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ Ｃ ｏ Ｌ ｔ ｄ ， Ｃｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ ４ ０ ０ ０ ３ ９ ， Ｃ ｉｎ ｈ ａ ）
血糖测定方法研究进展
血糖测定方法研究进展关键词血糖测定方法研究进展据世界卫生组织估计，全世界目前有超过1.5亿糖尿病病人，我国糖尿病病人人数已超过5000万，是世界上糖尿病人数最多的国家之一。
并且以每年150万-200万的新增病人数迅猛上升，糖尿病已成为发达国家中继心血管病和肿瘤之后的第三大非传染性疾病，因此，积极防治糖尿病显得十分重要。
从19世纪后期人们了解到血糖的浓度与糖尿病的关系以后，建立了血糖测定的方法。
并不断的改进与发展。
正是血糖测定方法的建立、改进和发展，使得人们对糖尿病的诊断有了明确的指标。
血糖测定的方法的应用也越来越广泛、越来越便捷。
随着人们对血糖水平与并发症之间的联系的深刻认识，从而产生了控制血糖的强化治疗方案，正是血糖测定的方法的建立、改进和发展才使得血糖监测成为现实，为控制血糖的强化治疗方案提供保证。
正是血糖测定的方法的建立、改进和发展才使得糖尿病的诊治更精确、前景更美好。
下面就其发展作一概述：1 实验室静脉血浆或血清葡萄糖测定1.1 斑氏法1908年斑氏(Benidict)首先建立了血糖测定方法，即斑氏法。
1.2 福林-吴氏法Folin-Wu) 通过不断的改进及发展1920年出现了最有代表性的福林-吴氏法Folin-Wu)这是血糖测定的经典方法，连续沿用了近五十年，但该方法最大的缺点是测出的结果比血液葡萄糖的真实值偏高10%-15%。
1.3 邻甲苯胺法1959年由Dultman提出该方法比福林-吴氏法Folin-Wu)的特异性还高，测定结果更准确。
但该方法中使用的试剂邻甲苯胺有毒，冰醋酸有较强的刺激气味，对人和仪器都有影响并不能在自动生化仪上使用。
1.4 葡萄糖氧化酶血糖测定方法该方法20世纪70年代由国外开始使用。
80年代初国内开始使用，随后在全国广泛推广。
该方法具有专一性强，特异性高，操作方便，结果准确，能在自动生化仪上使用的优点。
被作为国际公认的诊断糖尿病的唯一的测定方法。
该方法采取从体内抽取静脉血，属于有创测定，成为该法的缺点，不仅给病人带来一定的痛苦还会增加伤口局部感染甚至传染上其它疾病的机会，给病人增加了额外的心理负担。
血糖值的无创监测
无创式血糖传感器的设计原理
原理： 通过人体对近红外线、中红外线或远红外线的频谱分析， 提取血糖值。当用红外线照射人体时，与血糖无关的人 体组织，如皮肤、骨骼、肌肉、水等，将吸收大部分红 外线，余留少量代表血糖特征的反射或吸收红外线，称 为血糖特征频谱信号，可用来提取血糖值。
主要难度： 作为无创血糖值传感器的实现方法之一，研发人员一直 在研究使用中红外区域激光的方法。这种方法利用的是 中红外线被葡萄糖吸收多、被水和醇以外的人体成分吸 收少的性质。但在中红外区域很难提高激光的输出功率， 得不到足够的测定精度（信噪比）。激光的小型化也难
六、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：
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。
能量守恒方法测量流程图
基于中红外激光的无创式血糖传感器
2015年4月，日本原子能研究开发机构（JAEA）开发出了手 掌大小的无创式血糖值传感器。这是借助中红外激光的小型 化、高输出化而实现的，经基础实验确认，能够达到临床需 要的检测精度。 在4月11～13日召开的“第29届日本医学会总会”的学术演讲 部分，JAEA量子束应用研究中心研究主管山川考一在“预防 医疗及其基础技术和分析方法”分会上登台，以“使用中红 外激光的无创血糖仪的开发”为题，详细介绍了该血糖值传 感器。
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中国科学 G辑: 物理学 力学 天文学 2007年 第37卷 增刊: 124~131 http://www.scichina.com
收稿日期: 2007-05-20; 接受日期: 2007-08-29 “十一五”国家科技支撑计划(批准号: 2006BAI03A03)和中国博士后科学基金(批准号: 20070410197)资助项目 *联系人, E-mail: kexin@tju.edu.cn
《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS
光学无创血糖检测中的主要问题及 研究进展
刘 蓉 徐可欣* 陈文亮 马 真
(天津大学精密仪器与光电子工程学院, 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072) 摘要 分析了目前困扰人体血糖无创测量的瓶颈问题, 针对信号特异性差、生理背景干扰严重的现实, 提出了利用光强对葡萄糖浓度变化不敏感的基准点和光强灵敏度最大的测量点进行同时测量的浮动基准点检测方法, 并论证了基准点存在的条件和通过基准点的信息消除生理背景噪声的可能性, 最后通过初步的实验验证了基于浮动基准点的方法能有效消除背景噪声对糖信息的影响.
关键词 血糖浓度 近红外光谱 基准点 无创 漫反射 1 无创血糖检测的意义 随着生活水平的提高, 糖尿病的发病率日益上升. 根据世界卫生组织的统计: 截止2003年, 全球糖尿病患者已接近2亿, 中国已达到4000万. 然而, 由于生命科学的复杂性和医疗水平的限制, 目前还没有彻底根治糖尿病的医学手段. 世界卫生组织推荐的治疗糖尿病的主要手段是对患者进行血糖的自我监测, 及时地调整口服降糖药物和胰岛素的用量, 从而预防或减轻并发症的发生. 现有的血糖测量方法都需要进行采血, 而采血容易引起生理疼痛并伴有感染的危险, 且频繁测量还意味着要频繁针刺取血, 因此在很大程度上限制了血糖测定的频率和药物剂量的精确调节, 难以实现及时的或医学上较为理想的治疗. 无创血糖检测技术是指不损伤人体组织而获得血糖浓度的方法, 它具有无疼痛、无感染、无耗材等特点. 研究一种无创伤血糖检测的方法有非常重要的现实意义: (ⅰ) 减轻采血的痛苦, 提高测量次数, 从而更精确控制血糖; (ⅱ) 取代目前使用耗材的有创检测技术后, 不仅可以降低成本, 而且能减少对环境的污染; (ⅲ) 它是多学科交叉发展的结果, 将带动光谱技术、化学计量分析技术、信息处理技术、检测控制技术的发展, 其研究成果可推广应用于体内其他微量化学成分的无创伤检测, 有助于加强人们的日常健康管理, 提高生活质量. 在本文中, 首先分析了目前困扰人体无创血糖测量的瓶颈问题, 针对血糖信号拾取的特 增刊 刘蓉等: 光学无创血糖检测中的主要问题及研究进展 125 异性差、生理背景噪声无法消除等现状, 提出了基于浮动基准点的检测原理, 并给出了基准点存在的条件和通过基准点的信息消除血糖检测中具有时间变化特性的背景噪声的可能性, 最后通过模拟数据和实验数据验证了基于浮动基准点的检测技术能有效地消除背景噪声对葡萄糖信号的影响.
2 研究概述及存在的问题 目前, 无创血糖检测作为一个国际前沿性热点课题, 世界上许多机构正在此领域展开激烈的竞争. 按测量原理来分, 无创血糖测量的方法主要包括偏光法、Raman光谱法、光散射系数法、近红外光谱法、多参数综合计算法及基于人体组织间液的方法等. 偏光法主要根据葡萄糖具有稳定的偏光特性, 通过测量透射光(或反射光)的偏转角来预测人体血糖浓度. 当一束平面偏振光通过含有葡萄糖的溶液时, 偏振光的平面将发生旋转, 旋转的角度与葡萄糖的浓度呈比例[1]. 主要测量部位为眼前房水, 缺点是信号弱, 干扰多. 此外,
人眼测量实现难度大, 患者不易接受. 因此, 该方法目前尚无突破性的进展. Raman光谱法通过检测散射光的光学频移变化, 再与样品的化学结构相关联. 一方面, Raman光谱对葡萄糖分子结构具有很好的特征性, 谱线锐利, 不存在光谱重叠现象; 另一方 面, 水的Raman光谱十分微弱, 这是利用Raman散射光谱测量血糖的优势. 但是, 影响Raman谱线的因素很多, 如光源稳定性、样品的自吸收等. 最佳测量部位为眼前房, 但受到眼睛的安全辐射剂量限制, 信号非常微弱. 因此, Raman光谱方法在体内成份检测领域的研究还处于起步阶段, 离体组织研究结果发表较多[2].
光散射系数法的理论依据是人体组织的约化散射系数的变化与血糖浓度的变化之间存在相关性. 目前, 使用OCT(optical coherence tomography)的方法测量组织的散射系数变化已成为1种新的无创测量方法. 在深度250~400 μm的范围内, 光散射信号与糖浓度有很好的相关性, 0.56 mmol/L的葡萄糖浓度变化会导致OCT信号的斜率变化1.9%[3]. 但由于光散射系数的变化
所依赖的组织间折射率不匹配现象与葡萄糖浓度并没有直接的特异性关系, 因此, 人体其他生理成分的变化所导致的散射系数变化会给测量结果带来干扰. 目前, 该方法应用于人体临床实验尚有一定的困难. 多参数综合计算方法是日本日立公司最新提出的一种无创血糖检测技术. 该公司于2004年发表相关技术报告和研究论文, 提出了应用温度、血流等参数综合计算血糖值的无创检测方法[4], 并研制了相应的样机. 该方法具有一定的新颖性, 但就目前的报告来看, 尚无法确定其
测量原理的可行性, 具体价值及应用前景也还需等待进一步的消息发布. 基于人体组织间液的方法是基于组织间液与血液中葡萄糖浓度之间存在相关性, 通过测量组织间液中的葡萄糖浓度来推算血糖浓度. 由于该方法在提取组织液时仍然会造成轻微的皮肤组织创伤, 严格意义上应该属于微创测量. 目前, 部分仪器已通过美国FDA的许可, 但在使用条件上有不少的限制[5]. 代表性产品包括美国Cygnus公司开发的手表式血糖测量仪
“Glucowatch”, 美国SpectRx公司的SpectRx 系统和MiniMed公司的“血糖连续监测系统”. 由于这些装置仍存在感染的可能, 同时测试费用也较高(仍需使用消耗品), 因此, 目前微创测量还不大可能完全代替有创血糖测试, 只是传统方法的一个有益补充. 近红外光谱法主要基于葡萄糖分子在近红外区域具有的特征吸收, 并利用现代化学计量学的手段建立血糖浓度与近红外光谱之间的回归模型, 从而实现对血糖浓度的无创检 126 中国科学 G辑 物理学 力学 天文学 第37卷 测. 相对于中红外光, 在近红外区域, 体液和软组织相对透明, 光的穿透力强, 是理想的无创检测光谱段. 随着激光光源的使用以及化学计量学的快速进步, 目前近红外光谱法被认为是最有前途也是研究最广泛的血糖无创检测技术. 在20世纪70 年代, Kaiser就开始了应用光学方法进行人体内化学成份测量的尝试. 1987年, Dähne首次提出了应用近红外分光法进行人体血糖浓度的无创伤测量, 并申请了美国专利, 标志着近红外光谱分析技术正式进入人体血糖浓度无创检测领域. 此后, 各国的公司、大学和研究所在无创血糖检测方面展开了激烈的科研竞争. 1992年, 美国Futrex公司在Oak-Ridge会议上首次展出了基于近红外透射光的无创血糖检测样机Dream Beam. 美国Biocontrol Technology公司于1995年推出了基于扩散漫反射光的无创血糖仪Diasensor 1000, 并获得欧洲的CE许可[6]. 美国Iowa大学和Ohio大学的无创血糖研究
组得到NIDDK(National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases)和NIH(National Institutes of Health)的连续资助, 旨在研发一种基于近红外光谱的连续血糖检测系统[7]. 2000年,
由日本经济产业省的新能源产业技术综合开发机构牵头, 成立了多家单位参加的无创血糖检测项目组, 利用1200~1800 nm的扩散漫反射光测量血糖浓度[8]. 而我国无创血糖测量的研究
起步较晚, 以大学科研为主. 近10年以来, 天津大学、北京大学、清华大学、西安交通大学、中国科学院合肥智能机械研究所、中国医科大学、第三军医大学等研究机构在国家及省部级各项基金的资助下, 进行了光学无创血糖检测技术的基础研究, 在一定程度上推动了人体成分无创检测技术的发展. 总的来说, 尽管多年以来在无创血糖检测领域的竞争十分激烈, 但迄今为止, 没有任何机构推出的无创血糖测量仪或方法能够真正满足5 mg/dL的临床精度要求[9]. 目前的研究结果表
明, 影响检测精度的主要难点、也是实现临床意义上无创伤血糖检测的瓶颈问题主要包括以下几个方面: (ⅰ) 信号微弱问题. 导致光谱信号微弱的原因包括两个方面[10]: 一方面, 生物组织中含
有大量的水分, 而水对光的吸收非常强, 导致光的衰减严重; 另一方面, 葡萄糖在组织液和血液中的含量低且变化范围小, 此外, 葡萄糖的吸收系数也远远小于水的吸收系数. 因此, 血糖浓度变化导致的有效信号非常微弱, 精确和可靠地检测这些信息需要仪器具有非常高的信噪比. (ⅱ) 测量条件变化问题. 人体不同部位的组织结构差异很大, 且这种差异因人而异, 如果在测量时不能保证测头精确定位在同一位置, 必将对光的传播路径带来影响; 同时, 在漫反射测量时, 通常采用接触测量的方式来减少表面反射光的影响, 但皮肤组织会因受到测头的挤压而产生形变, 组织内部结构及分布发生改变, 最终影响到漫反射光的分布特性. 此外, 测量部位的温度、湿度、光的入射面积、角度等测量条件的变化也都将直接影响光的传播, 并且其导致的光强变化远大于因糖浓度变化引起的光强变化. 因此, 如果没有稳定的测量条件或者行之有效的消除测量噪声的方法, 精确地提取血糖浓度的信息几乎是不可能的. (ⅲ) 人体生理背景变化问题. 人体组织是一个复杂并且动态变化的内环境, 除了葡萄糖分子以外, 体内的其他生理成分, 如水、蛋白、脂肪等的吸收与葡萄糖分子的吸收严重重叠, 并且其浓度改变对光强的影响程度甚至大于糖浓度变化的影响. 例如, 水在近红外和中红外都存在强吸收, 组织中水含量的轻微波动, 都会对葡萄糖的分析造成较大的误差: 水含量变化0.2%对漫反射光强的影响与1 mmol/L的糖浓度变化相当[11]. 此外, 当温度升高时, O—H的频带将向低波长漂移变得更加尖锐. 如在1200~1800 nm波长范围内, 温度变化1℃将对葡萄糖的