光學無創血糖檢測方法研究進展＊

王 磊，劉貴棟，陳春睿，劉 歡

（1.東北農業大學，黑龍江 哈爾濱 150030；2.哈爾濱職業技術學院，黑龍江 哈爾濱 150081；3.哈爾濱工業大學 電氣學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

糖尿病是一種嚴重威脅人類身體健康的代謝性疾病，其主要特征為高血糖。胰島素的分泌缺陷或其生物作用被破壞，或兩者兼有，是引起高血糖的主要原因。血糖檢測對患者控制血糖有極其重要的意義，無創血糖檢測具有安全、快捷、無痛苦等諸多優勢，且極具發展潛力。在各類無創檢測中，研究熱點主要集中在檢測原理、部位及對數據建模和相應處理算法等方面。由于血糖的測量方法與部位不一樣，數據建模也存在一定的差異，因此，它們之間是互相影響和制約的。目前，檢測主要有光學和非光學兩個方向。由于光作為一種無創檢測的理想信息載體有其獨特的優勢高速、高精密等特點，所以，該檢測手段具有較好的應用前景和重要的研究意義。當前，光學檢測方法包括以下幾種。

1 拉曼光譜法

當一定頻率的激光照射到物體表面時，一部分能量會被分子吸收并產生散射的現象，這就是拉曼效應。它適用于水溶性的透明介質樣品，通過測量透射前后光的頻率就可以得到所測樣品的拉曼譜線。因此，可以利用這個方法對不同濃度的葡萄糖進行定量分析，以獲得不同的譜線。這種方法適用的檢測部位為眼前房，但眼部限制入射光的強度，無法使用較大的光強進行檢測，因此，檢測到的光譜信號會比較微弱。利用該方法測量水溶液生物樣品具有很好的相關性，這是因為水的拉曼散射很弱。另外，譜峰清晰、尖銳是拉曼光譜的一大特點，所以，拉曼光譜法具有很好的應用前景。Enejder等[1]通過采集來自經皮的血糖值和其相應的拉曼光譜對無創檢測的方法進行了較為成功的研究，采集的血糖值為標準值，拉曼光譜的數量為461個，利用最小二乘法對所采集到的數據進行整理，得到的校準平均絕對誤差為（7.8±1.8）%.拉曼光譜法對血糖無創檢測的可行性被此次研究結果所證明。

2 熒光法

血液中含有部分通過輻射能夠在激發態發射熒光的基團[2]，這些基團所發出的熒光的波長和強度會因為血樣的不同而存在明顯的差異。分析此差異，可以測算不同的血樣，進而獲得葡糖濃度。但是，采用這種方法分析時有一定的難度，這是由于分辨率、生物適應性等問題。另外，人體血液成分復雜，導致熒光的內容復雜，因此，利用熒光對血糖進行分析得到的結果也較為復雜。凌明勝等[3]通過實驗采集血清和全血樣品的熒光光譜，實驗中所用的樣品中含有紅細胞溶液和葡萄糖，利用不同濃度的樣品進行實驗。分析測量的全血光譜圖，得到的結果是在720～730 nm附近產生了明顯的熒光特征峰，改變葡萄糖濃度，血清和全血樣品的熒光光譜圖中的峰值強度在此位置上也發生規律性變化。進一步分析發現，血液中的血細胞造成了光譜圖中的特征峰，其范圍是在720 nm附近；葡萄糖造成另一個特征峰，這個特征峰發生在730 nm附近。此次實驗結果為無創血糖熒光檢測的發展奠定了基礎。

3 光學相干層析成像法

光學相干層析成像法是主要用于研究體腔淺表組織成像的方法，這種方法是近年來才逐漸成熟的新型成像技術。目前，此技術的分辨率能夠達到10 μm。采用這個方法可以間接測量血糖濃度，由于測量時直接測量的是人體真皮組織的散射系數，真皮組織中含有大量的微血管網絡，微血管中的葡萄糖濃度的變化會導致散射系數的變化，所以，散射系數還會受到人體組織中其他一些成分的影響，從而改變測量結果。例如，在葡萄糖濃度不變的情況下，如果組織的折射率發生變化，則光的散射系數也會發生相應的變化，而這種現象與上述的血糖濃度與散射系數之間的相關性沒有直接的聯系。這一問題的出現使得此項技術的臨床應用面臨許多問題，還有待進一步研究。

4 光聲光譜法

光聲信號的幅度與吸收系數存在一定的關系，所以，可以利用此方法測量血糖。測量的方法是，將檢測器放置于組織表面，由于組織內部血糖分子對光的吸收使局部的溫度略微升高，由此引起快速的熱膨脹，熱膨脹使超聲壓力波，即光聲信號可以被檢測到。相比于之前提到的光學相干層析成像法，這種方法的優點是被干擾性小。雖然此方法發展前景比較好，可根據測量結果度推算得到真實血糖水平，但必須要改進此方法的重復性和靈敏度。目前，有研究人員對上述方法進行了改進，利用近紅外激光脈沖照射樣品，采集產生的光聲信號。針對噪聲比較高的問題，提出了一種小波閾值函數對信號進行降噪，同時，利用上平移不變式算法處理采集到的信號，處理前后的信噪比27.365 8/44.706 0，均方根、誤差也得到了有效降低，光聲光譜信號也更加平滑[4]。

5 近紅外透射法

近紅外光譜技術利用分子本身與分子之間的化學鍵在接收能量后會發生振動，振動具有合頻和倍頻。葡萄糖分子中C-H、N-H、O-H等化學鍵波長在700～2 500 nm近紅外光譜區內的振動信息十分豐富，同時，譜線特征也會產生相應的變化。利用近紅外光譜法測量血糖的方法是，先測量已知樣品或受試者的葡萄糖濃度，同時獲得近紅外光譜，然后利用測得的數據建立與樣品相匹配的數學模型，并利用該模型對葡萄糖濃度進行預測。近紅外光譜法（near infrared，NIR）是目前研究取得最顯著進展的方法，此方法的部分實驗成果已進入在體檢測實驗階段。Katsuhiko等[5]利用一組近紅外發射光纖和探測光纖進行測量，測量的位置是相距患者手臂皮膚表面0.65 mm處，得到了組織中葡萄糖的近紅外光譜信息，根據測得的結果對血糖值進行預測，將預測的結果與真實血糖值相對比，相關系數為0.928，標準誤差為32.2 mg/L。Wolfgang等[6]為檢測房水中葡萄糖的含量，提出采集透過角膜后經過前房房水反射回的近紅外光來進行測量，預測的生理葡萄糖含量與實際值相差比較小。Ooi等[7]嘗試用漫反射方法測量，測量的方法是使用一組特定波長的發光二極管作為發射光源測量經過漫反射后的近紅外光譜信號，同時，還測量手指的溫度信號，使用的建模方法是偏最小二乘法，從而實現血糖無創檢測。在實際人體測量實驗中，校準模型的標準誤差為±13.14 mg/dL。

此外，近紅外無創血糖檢測的一些基礎問題由相當部分的學者進行研究，這方面的研究也有一定的成果，這些研究為后續的深入研究奠定了理論基礎。Kye等[8]研究了近紅外光的2種測量方式，即反射測量方式和透射測量方式。哪一種更適合血糖無創檢測呢？初步結果表明，采用透射測量方式取得的效果比反射測量方式更好。

［1］朱磊.無創血糖檢測與胰島素劑量控制設計與實現研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

［2］王磊，劉貴棟，劉麗，等.健康和糖尿病大鼠紅細胞熒光光譜非線性程度差異［J］.光譜學與光譜分析，2016，36（10）：3028-3031.

［3］吳云江.近紅外無創血糖檢測關鍵技術的研究［D］.成都：電子科技大學，2015.

［4］陳真誠，張楊，徐北平，等.近紅外無創血糖檢測系統設計［J］.傳感器與微系統，2016，35（5）：103-106.

［5］楊星.基于近紅外透射法的血糖無創檢測系統的實現［D］.重慶：重慶大學，2012.

［6］劉一飛，趙文麗，毛曉波，等.無創人體血糖光學檢測技術研究與展望［J］.電子設計工程，2013（14）：35-37.

［7］Komal L.Design and Development of Infrared LED Based Non Invasive Blood Glucometer［J］.IEEE，2015.

［8］Chennai.Non-invasive tracking and monitoring glucose content using near infrared spectroscopy［J］.IEEE，2015.