基于超聲調制光信號技術無創檢查葡萄糖濃度

陶曾++王敏

摘 要：糖尿病是一種多發常見病，不能根治卻能很好控制。如果能夠有精確、快速、無損的檢測方法，需要時就能監測血糖濃度，這將為糖尿病的治療帶來革命性的進步。超聲調制的光學檢測方法是新興的且很有發展前景的無損診斷技術，本文通過實驗研究超聲調制的光學信號與渾濁介質中葡萄糖濃度的關系，實驗的初步結果表明，超聲調制的光學信號可以靈敏地測量出渾濁介質中葡萄糖濃度的微小變化，且在吸收介質中比在散射介質中，超聲調制光學信號對葡萄糖濃度的變化更靈敏。這為該方法應用在血糖的無創檢測提供了可能性。

關鍵詞：糖尿病 超聲調制 光學成像 無創檢測 葡萄糖濃度

中圖分類號：R318 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0020-02

國內外的研究成果表明，通過經常監測患者血糖濃度，以此為根據來控制飲食及服用藥物，可大大延緩糖尿病的病情并減少并發癥的發病幾率[1]。

對比于其他生物組織成像方法，超聲調制光學成像技術有很多優點：首先，該技術對生物組織有良好的無損性，再者，超聲調制光學成像技術的成本相對低很多。

現今，超聲調制光學成像術的發展還有許多技術性的問題需要解決，該技術從模擬實驗到實踐臨床還有一些距離。例如，由于生物組織是高散射介質，光的穿透深度依然較淺，這使得成像的深度和質量在一定程度上受到了限制，因此，如何提高信噪比、提高探測精準度及靈敏度是一個技術上的難題。一旦該技術走向實用化，將具有無損、方便、快捷、收費便宜等優點。

1 超聲調制的光學成像技術原理

生物組織是一種高散射介質，光與生物組織的作用機理很復雜。成像空間分辨率差，遠不能滿足醫學臨床診斷的要求。于是想到將光學技術和聲學技術結合起來，揚長避短，充分發揮二者的優勢[2]。超聲調制光學成像技術（Ultrasound-modulated optical tomography）利用超聲波對組織內經過局域（聚焦）超聲場的散射光進行調制（標記）；通過檢測散射光中的調制成分，可推斷超聲區域組織的光學和超聲（力學）性質；完成超聲場對組織整體掃描并經過數據分析重建可得到生物組織光學和超聲響應的成像圖[3]。

2 實驗方案

本文將通過實驗研究超聲調制的光學信號與渾濁介質中葡萄糖濃度的關系，為該方法在血糖無創檢測中的應用提供必要的實驗數據（見圖1）。

架設好實驗平臺，調節光路準直，使各儀器等高共軸以確保光路準直；然后確定超聲轉化器處于光軸的正上方，始終保持與光軸垂直就可以將脈沖超聲發生接收器浸入水中，然后確保實驗在暗室環境中進行；打開各個開關，記錄下各種配比好的溶液相應的數據，使用Origin軟件，將所記錄的數據在坐標軸上用圖形表示出來。在實驗數據處理中，用直流信號Id值代表了未被調制的背景光信號，而交流信號峰-峰值Ia值代表被超聲調制的光信號，調制深度M=Ia/Id。調制深度是超聲調制光學成像術的關鍵物理量[4～6]。

3 實驗結果分析

以下四幅是四種溶液基底對應的信號變化趨勢（見圖2～圖5）。

根據比爾定律，吸光度A與吸光物質的濃度c和吸收池光程長b的乘積成正比。A= εbc，其中比例系數ε稱為摩爾吸收系數，ε值取決于入射光的波長和吸光物質的吸光特性，測量時的溫度等因素[7]。

實驗中，光源不變，溫度不變，吸收池光程長不變，因此，平均值的改變與吸光物質的濃度及吸光物質的吸光特性有關，從平均值、調制深度及峰值來看，只有葡萄糖時，隨著葡萄糖的加入，平均值基本不變，有雜質參入后，隨著葡萄糖的加入，平均值有明顯的下降。這應該是我們所加入的其他雜質的吸光特性引起的，脂肪乳汁和墨汁的吸光特性明顯遠大于葡萄糖。

4 結語

本文通過實驗研究超聲調制的光學信號與渾濁介質中葡萄糖濃度的關系，實驗的初步結果表明，超聲調制的光學信號可以靈敏地測量出渾濁介質中葡萄糖濃度的微小變化，且在吸收介質中比在散射介質中，超聲調制光學信號對葡萄糖濃度的變化更靈敏。這為該方法應用在血糖的無創檢測提供了可能性。

參考文獻

[1] 沈耀春，王春，H.A.MacKenzie，等.一種新型的檢測血糖含量的方法[J].南京大學學報，2000，36（5）：1.

[2] 朱莉莉.散射介質中光的超聲調制原理及數值模擬和實驗[D].福建師范大學，2005.

[3] Lili Zhu， Hui Li， Jiali Cai， Cuncheng Weng and Shusen Xie.Propagation of the diffused light modulated by a focused ultrasound in scattering media ， Photonics and Imaging in Biology and Medicine[J].Proc.SPIE，2005，6047：11.

[4] Lili Zhu，HuiLi，Shaofeng Yang，Liuhui Chen.Propagation of ultrasound modulation scattering signal in multi-layer scattering media：simulations and experiments[J].Photonics Asia，2007.

[5] 朱莉莉，李暉，謝文明.超聲調制的散射光在多層生物組織中的傳播[J].中國激光，2009，36（10）：2593-2597.

[6] http：//zhidao.baidu.com/question/39258326.html.endprint

摘 要：糖尿病是一種多發常見病，不能根治卻能很好控制。如果能夠有精確、快速、無損的檢測方法，需要時就能監測血糖濃度，這將為糖尿病的治療帶來革命性的進步。超聲調制的光學檢測方法是新興的且很有發展前景的無損診斷技術，本文通過實驗研究超聲調制的光學信號與渾濁介質中葡萄糖濃度的關系，實驗的初步結果表明，超聲調制的光學信號可以靈敏地測量出渾濁介質中葡萄糖濃度的微小變化，且在吸收介質中比在散射介質中，超聲調制光學信號對葡萄糖濃度的變化更靈敏。這為該方法應用在血糖的無創檢測提供了可能性。

關鍵詞：糖尿病 超聲調制 光學成像 無創檢測 葡萄糖濃度

中圖分類號：R318 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0020-02

國內外的研究成果表明，通過經常監測患者血糖濃度，以此為根據來控制飲食及服用藥物，可大大延緩糖尿病的病情并減少并發癥的發病幾率[1]。

對比于其他生物組織成像方法，超聲調制光學成像技術有很多優點：首先，該技術對生物組織有良好的無損性，再者，超聲調制光學成像技術的成本相對低很多。

現今，超聲調制光學成像術的發展還有許多技術性的問題需要解決，該技術從模擬實驗到實踐臨床還有一些距離。例如，由于生物組織是高散射介質，光的穿透深度依然較淺，這使得成像的深度和質量在一定程度上受到了限制，因此，如何提高信噪比、提高探測精準度及靈敏度是一個技術上的難題。一旦該技術走向實用化，將具有無損、方便、快捷、收費便宜等優點。

1 超聲調制的光學成像技術原理

生物組織是一種高散射介質，光與生物組織的作用機理很復雜。成像空間分辨率差，遠不能滿足醫學臨床診斷的要求。于是想到將光學技術和聲學技術結合起來，揚長避短，充分發揮二者的優勢[2]。超聲調制光學成像技術（Ultrasound-modulated optical tomography）利用超聲波對組織內經過局域（聚焦）超聲場的散射光進行調制（標記）；通過檢測散射光中的調制成分，可推斷超聲區域組織的光學和超聲（力學）性質；完成超聲場對組織整體掃描并經過數據分析重建可得到生物組織光學和超聲響應的成像圖[3]。

2 實驗方案

本文將通過實驗研究超聲調制的光學信號與渾濁介質中葡萄糖濃度的關系，為該方法在血糖無創檢測中的應用提供必要的實驗數據（見圖1）。

架設好實驗平臺，調節光路準直，使各儀器等高共軸以確保光路準直；然后確定超聲轉化器處于光軸的正上方，始終保持與光軸垂直就可以將脈沖超聲發生接收器浸入水中，然后確保實驗在暗室環境中進行；打開各個開關，記錄下各種配比好的溶液相應的數據，使用Origin軟件，將所記錄的數據在坐標軸上用圖形表示出來。在實驗數據處理中，用直流信號Id值代表了未被調制的背景光信號，而交流信號峰-峰值Ia值代表被超聲調制的光信號，調制深度M=Ia/Id。調制深度是超聲調制光學成像術的關鍵物理量[4～6]。

3 實驗結果分析

以下四幅是四種溶液基底對應的信號變化趨勢（見圖2～圖5）。

根據比爾定律，吸光度A與吸光物質的濃度c和吸收池光程長b的乘積成正比。A= εbc，其中比例系數ε稱為摩爾吸收系數，ε值取決于入射光的波長和吸光物質的吸光特性，測量時的溫度等因素[7]。

實驗中，光源不變，溫度不變，吸收池光程長不變，因此，平均值的改變與吸光物質的濃度及吸光物質的吸光特性有關，從平均值、調制深度及峰值來看，只有葡萄糖時，隨著葡萄糖的加入，平均值基本不變，有雜質參入后，隨著葡萄糖的加入，平均值有明顯的下降。這應該是我們所加入的其他雜質的吸光特性引起的，脂肪乳汁和墨汁的吸光特性明顯遠大于葡萄糖。

4 結語

本文通過實驗研究超聲調制的光學信號與渾濁介質中葡萄糖濃度的關系，實驗的初步結果表明，超聲調制的光學信號可以靈敏地測量出渾濁介質中葡萄糖濃度的微小變化，且在吸收介質中比在散射介質中，超聲調制光學信號對葡萄糖濃度的變化更靈敏。這為該方法應用在血糖的無創檢測提供了可能性。

參考文獻

[1] 沈耀春，王春，H.A.MacKenzie，等.一種新型的檢測血糖含量的方法[J].南京大學學報，2000，36（5）：1.

[2] 朱莉莉.散射介質中光的超聲調制原理及數值模擬和實驗[D].福建師范大學，2005.

[3] Lili Zhu， Hui Li， Jiali Cai， Cuncheng Weng and Shusen Xie.Propagation of the diffused light modulated by a focused ultrasound in scattering media ， Photonics and Imaging in Biology and Medicine[J].Proc.SPIE，2005，6047：11.

[4] Lili Zhu，HuiLi，Shaofeng Yang，Liuhui Chen.Propagation of ultrasound modulation scattering signal in multi-layer scattering media：simulations and experiments[J].Photonics Asia，2007.

[5] 朱莉莉，李暉，謝文明.超聲調制的散射光在多層生物組織中的傳播[J].中國激光，2009，36（10）：2593-2597.

[6] http：//zhidao.baidu.com/question/39258326.html.endprint

摘 要：糖尿病是一種多發常見病，不能根治卻能很好控制。如果能夠有精確、快速、無損的檢測方法，需要時就能監測血糖濃度，這將為糖尿病的治療帶來革命性的進步。超聲調制的光學檢測方法是新興的且很有發展前景的無損診斷技術，本文通過實驗研究超聲調制的光學信號與渾濁介質中葡萄糖濃度的關系，實驗的初步結果表明，超聲調制的光學信號可以靈敏地測量出渾濁介質中葡萄糖濃度的微小變化，且在吸收介質中比在散射介質中，超聲調制光學信號對葡萄糖濃度的變化更靈敏。這為該方法應用在血糖的無創檢測提供了可能性。

關鍵詞：糖尿病 超聲調制 光學成像 無創檢測 葡萄糖濃度

中圖分類號：R318 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0020-02

國內外的研究成果表明，通過經常監測患者血糖濃度，以此為根據來控制飲食及服用藥物，可大大延緩糖尿病的病情并減少并發癥的發病幾率[1]。

對比于其他生物組織成像方法，超聲調制光學成像技術有很多優點：首先，該技術對生物組織有良好的無損性，再者，超聲調制光學成像技術的成本相對低很多。

現今，超聲調制光學成像術的發展還有許多技術性的問題需要解決，該技術從模擬實驗到實踐臨床還有一些距離。例如，由于生物組織是高散射介質，光的穿透深度依然較淺，這使得成像的深度和質量在一定程度上受到了限制，因此，如何提高信噪比、提高探測精準度及靈敏度是一個技術上的難題。一旦該技術走向實用化，將具有無損、方便、快捷、收費便宜等優點。

1 超聲調制的光學成像技術原理

生物組織是一種高散射介質，光與生物組織的作用機理很復雜。成像空間分辨率差，遠不能滿足醫學臨床診斷的要求。于是想到將光學技術和聲學技術結合起來，揚長避短，充分發揮二者的優勢[2]。超聲調制光學成像技術（Ultrasound-modulated optical tomography）利用超聲波對組織內經過局域（聚焦）超聲場的散射光進行調制（標記）；通過檢測散射光中的調制成分，可推斷超聲區域組織的光學和超聲（力學）性質；完成超聲場對組織整體掃描并經過數據分析重建可得到生物組織光學和超聲響應的成像圖[3]。

2 實驗方案

本文將通過實驗研究超聲調制的光學信號與渾濁介質中葡萄糖濃度的關系，為該方法在血糖無創檢測中的應用提供必要的實驗數據（見圖1）。

架設好實驗平臺，調節光路準直，使各儀器等高共軸以確保光路準直；然后確定超聲轉化器處于光軸的正上方，始終保持與光軸垂直就可以將脈沖超聲發生接收器浸入水中，然后確保實驗在暗室環境中進行；打開各個開關，記錄下各種配比好的溶液相應的數據，使用Origin軟件，將所記錄的數據在坐標軸上用圖形表示出來。在實驗數據處理中，用直流信號Id值代表了未被調制的背景光信號，而交流信號峰-峰值Ia值代表被超聲調制的光信號，調制深度M=Ia/Id。調制深度是超聲調制光學成像術的關鍵物理量[4～6]。

3 實驗結果分析

以下四幅是四種溶液基底對應的信號變化趨勢（見圖2～圖5）。

根據比爾定律，吸光度A與吸光物質的濃度c和吸收池光程長b的乘積成正比。A= εbc，其中比例系數ε稱為摩爾吸收系數，ε值取決于入射光的波長和吸光物質的吸光特性，測量時的溫度等因素[7]。

實驗中，光源不變，溫度不變，吸收池光程長不變，因此，平均值的改變與吸光物質的濃度及吸光物質的吸光特性有關，從平均值、調制深度及峰值來看，只有葡萄糖時，隨著葡萄糖的加入，平均值基本不變，有雜質參入后，隨著葡萄糖的加入，平均值有明顯的下降。這應該是我們所加入的其他雜質的吸光特性引起的，脂肪乳汁和墨汁的吸光特性明顯遠大于葡萄糖。

4 結語

本文通過實驗研究超聲調制的光學信號與渾濁介質中葡萄糖濃度的關系，實驗的初步結果表明，超聲調制的光學信號可以靈敏地測量出渾濁介質中葡萄糖濃度的微小變化，且在吸收介質中比在散射介質中，超聲調制光學信號對葡萄糖濃度的變化更靈敏。這為該方法應用在血糖的無創檢測提供了可能性。

參考文獻

[1] 沈耀春，王春，H.A.MacKenzie，等.一種新型的檢測血糖含量的方法[J].南京大學學報，2000，36（5）：1.

[2] 朱莉莉.散射介質中光的超聲調制原理及數值模擬和實驗[D].福建師范大學，2005.

[3] Lili Zhu， Hui Li， Jiali Cai， Cuncheng Weng and Shusen Xie.Propagation of the diffused light modulated by a focused ultrasound in scattering media ， Photonics and Imaging in Biology and Medicine[J].Proc.SPIE，2005，6047：11.

[4] Lili Zhu，HuiLi，Shaofeng Yang，Liuhui Chen.Propagation of ultrasound modulation scattering signal in multi-layer scattering media：simulations and experiments[J].Photonics Asia，2007.

[5] 朱莉莉，李暉，謝文明.超聲調制的散射光在多層生物組織中的傳播[J].中國激光，2009，36（10）：2593-2597.

[6] http：//zhidao.baidu.com/question/39258326.html.endprint