無創血糖檢測技術研究進展

楊宇祥，吳 彬，林海軍，李建閩*，張 甫*，張彩麗，彭 敏

（1.湖南師范大學 工程與設計學院，湖南 長沙 410081；2.湖南師范大學第一附屬醫院 內分泌科，湖南長沙 410005；3.湘潭縣人民醫院 護理部，湖南 湘潭 411228）

糖尿病（Diabetes mellitus，DM）是一種因體內胰島素水平異常引起的慢性代謝性疾病，其原因是胰島素分泌不足，或體內細胞不能有效利用胰島素［1］。2019年國際糖尿病聯盟（IDF）發布的全球糖尿病地圖表明：全球有4.63億糖尿病患者，中國糖尿病患者占其中的四分之一，約為1.298億，居全球首位［2］。根據IDF的估計，到2030年全球糖尿病患病人數將增至5.52億，而到2040年將增至6.42億［3］。糖尿病可引發心、腦、腎、眼、足等多器官并發癥，是繼腫瘤和心腦血管疾病之后第3大威脅人類健康的重大非傳染性疾病［4］。

根據中華醫學會糖尿病學分會（CDS）以及美國糖尿病學會（ADA）的建議，臨床上對糖尿病的診斷標準主要有3種：空腹血糖≥126 mg/dl（7.0 mmol/L），75 g口服糖耐量試驗2 h血糖≥200 mg/dl（11.1 mmol/L），或有典型高血糖癥狀的個體隨機血糖≥200 mg/dl（11.1 mmol/L）［1，5］。目前治療糖尿病的方案均為通過人為干預將體內血糖濃度維持在正常范圍內（70～140 mg/dl或4～8 mmol/L），以有效降低并發癥的患病風險［6］。對于糖尿病的監測和護理，無論是前期飲食調節、運動，還是后期胰島素替代療法，均須提供精準的血糖濃度數據作為基本依據，血糖檢測已成為糖尿病管理中不可或缺的一環［7］。WHO建議糖尿病患者每天進行4～5次血糖濃度測量［8］，ADA建議每天進行4～6次血糖測量［1］，CDS建議每天監測4～7次血糖［9］。由此可見，血糖檢測已經成為涉及數億糖尿病患者的重大需求［10］。2019年發布的《美國糖尿病協會糖尿病診療標準》中，第一次把“血糖監測”作為與藥物治療同等重要的部分，設置獨立章節，凸顯了血糖檢測技術的重要性［6］。

然而，現有的血糖檢測設備還不能同時滿足無痛、頻繁檢測、實時、廉價的要求。傳統的以刺尖采血和靜脈采血為主的有創血糖檢測法精度高、應用廣［11］，但是會給患者帶來采血的痛苦和創口感染的風險［12］，還會引發心理上的恐懼與抵觸［13］。以皮下植入型［14］和組織液透皮抽取型［15］為主的微創血糖檢測法雖然減小了取血所帶來的痛苦，但存在對植入物過敏或不適［16］、測量值延遲滯后［17］、費用高昂［18］等問題；因此，微創血糖檢測技術只是現階段傳統有創血糖檢測技術的一個有益補充，是無創血糖檢測技術成功之前的一個過渡方案［19］。與有創、微創血糖檢測技術相比，無創血糖檢測技術具有更加明顯的優勢：不會對人體造成痛苦和創傷，不會帶來感染的風險，無需試紙等耗材，可長期使用，附加費用低，并且可以實現連續監測，有利于對糖尿病患者病情的更好控制。因此，近年來無創血糖檢測技術成為血糖檢測領域的研究熱點。根據檢測原理的不同，目前無創血糖檢測方法總體可分為光學方法和非光學方法兩類，其分類結構圖如圖1所示。

圖1 無創血糖檢測方法的分類結構圖Fig.1 Classification structure of non-invasive blood glucose detection methods

1 光學類無創血糖檢測方法

光學類方法以光作為信息載體，通常是將一束光聚焦在人體上，利用傳輸光的強度、相位、偏振角、頻率以及靶區組織散射系數等信息與血糖濃度密切相關的特點，通過提取這些信息的改變間接測得血糖濃度［20］。根據光波波長和作用機理不同，光學方法又可以分為近/中紅外光譜法、拉曼光譜法、光聲光譜法、光學相關層析成像法、光學旋光法以及熒光光譜法等。

1.1 近/中紅外光譜法

近紅外光譜法（Near-infrared spectroscopy，NIRS）和中紅外光譜法（Mid-infrared spectroscopy，MIRS）是根據葡萄糖分子在近紅外區域（波長750～2 500 nm）或中紅外區域（波長2 500～10 000 nm）具有的吸收和散射特征，利用現代計量學手段建立血糖濃度與近紅外光譜之間的回歸模型，實現對血糖濃度的無創檢測［21］。NIRS對水和葡萄糖的吸收程度不顯著，因此有高達95%的光可以通過角質層和表皮到達血液濃度較高的區域，且不受皮膚色素沉著的影響，加之較低的研究開發成本，使得NIRS方法成為傳統無創血糖檢測研究的第一選擇［22］。與此相反，MIRS由于對水分子的吸收顯著，導致其穿透性不超過100μm，因此需要使用強大的中紅外光源［23］，研究相對較少。

紅外光譜方法存在幾個有待解決的問題［16，24］：（1）由于生物內部組織中的水、蛋白質、脂質等成分與葡萄糖吸收峰存在嚴重重疊，使得血糖的吸收峰不夠清晰明顯；（2）人體血糖水平變化引起的NIRS信號變化十分微弱，信噪比不高導致測量精度較低；（3）個體差異性會影響NIRS預測血糖水平的準確度和穩定性；（4）人體溫度、心率、血壓等復雜的生理變化會對測試結果的準確性產生復雜多變的影響；（5）測試條件及環境如探頭的位置與壓力、儀器間斷使用造成的微小的溫度變化，測量部位的溫度、濕度、光的入射面積、角度等測量條件的變化也直接影響測試結果。基于上述原因，盡管從1980年起研究人員就開始嘗試通過紅外光譜實現人體血糖的無創檢測，但至今仍未取得革命性、突破性的進展。

最近，基于NIRS方法的無創血糖檢測技術取得了新的進展。沙特阿拉伯Althobaiti等［25］提出了用于NIRS血糖傳感器的雙通道檢測法，該方法在源－探測器最佳分離的條件下找到最優波長，從長通道的總信號中去除了以短通道為代表的表皮層的干擾信號，從而為研制更可靠和準確的血糖監測傳感器鋪平了道路。印度Joshi等［26］開發了一種新型短NIRS技術，并研制了可穿戴無創血糖連續監測設備（iGLU 2.0），血糖檢測的平均誤差為4.88%。

1.2 拉曼光譜法

近年來，紅外光譜的替代技術（如拉曼光譜技術）越來越受到人們的關注。拉曼光譜法（Raman spectroscopy，RS）根據激光作用于被測物時形成的拉曼散射與瑞利散射之間的頻率差（拉曼位移）來確定物質的分子結構，進而測定不同物質的成分，因此RS可作為分子識別的“指紋”光譜［27］。與紅外光譜相比，RS譜峰清晰尖銳，峰強度與所測物質活性成分的濃度呈正相關，據此可對生物體的某些成分進行定量分析，因此被認為是最有希望實現無創血糖檢測的技術之一［28］。但是，現階段RS方法一般用于離體定量分析，對于在體的血糖檢測，RS方法存在以下亟待突破的技術難題［29］：（1）傳統的實驗室級RS系統體積龐大、費用昂貴，不便于人體佩戴使用，無法實現實時監測，極大限制了該技術的臨床應用；（2）由于檢測對象是人體，信號采集過程中由于人體活動、壓力、角度等外部環境的干擾，信號的穩定性差，測試結果的準確性和可重復性不理想；（3）現有數學模型在指標關聯度和準確度上尚不完善，血糖計算結果誤差大；（4）個體差異及復雜的生理變化對血糖檢測的準確性和可重復性產生的影響。

2020年，RS法在血糖檢測領域取得了里程碑式的進展，韓國Jeon和印度Yun等［30］在3個活體豬葡萄糖鉗夾實驗中，首次直接觀察到活體皮膚上的葡萄糖拉曼峰，其信號強度與參考葡萄糖濃度成正比，從而消除了長期以來關于經皮葡萄糖傳感器是否可以在體檢測到葡萄糖拉曼光譜的質疑。

總之，RS技術被認為是一種可行的、有前景的人體血糖無創檢測方法，但目前尚處于起步階段，還需要更進一步的研究。

1.3 光聲光譜法

光聲光譜法（Photo-acoustic spectroscopy，PAS）利用激光照射皮膚時產生的微觀局部熱膨脹來調制超聲波信號，通過跟蹤此超聲波信號的峰值變化計算葡萄糖濃度［31］。PAS方法靈敏度高，且激光波長選擇范圍寬（從紫外線到近紅外），但是這種方法的重復性很容易受到皮膚水分或分泌物變化的影響［32］。因此，盡管基于PAS的人體血糖無創檢測研究已經持續了近30年，仍沒有取得革命性、突破性的進展。2018年韓國Sim等［33］根據在光譜測量過程中獲取的皮膚微觀空間信息，有針對性地選擇對皮膚狀況不敏感的局部區域進行檢測，從PAS信號中可靠地預測了血糖水平。而最近發展起來的雙頻梳狀光聲光譜（DCPAS）［34］是一種新的寬帶光譜技術，可對顯微甚至不透明的樣品進行操作，因此DCPAS技術為無創血糖檢測提供了前所未有的機會。

1.4 光聲相干層析成像法

光聲相干層析成像法（Optical coherence tomography，OCT）是一種基于低相干干涉原理的成像技術，能夠在微米分辨率下檢測生物組織光學特性的變化，已被廣泛應用于疾病的診斷和治療、療效評估以及各種生理和病理過程的監測［35］。OCT技術最初是為眼睛的斷層成像而開發，目前可通過皮膚測量血糖濃度，具有無損、成像速度快、靈敏度高等優點，但同時也存在對儀器要求高、需多次標定等不足［36］。

1.5 光學旋光法

光學旋光法（Optical polarimetry，OP）基于體液中D-葡萄糖手性分子的旋光性，使用光源照射眼前房水，通過測量透射光的偏轉角間接測量血糖濃度［37］。OP方法采用可見光進行測量，由于偏轉角度一般僅會發生微小變化，測量難度大；而且房水中的血糖濃度相比血液中血糖濃度變化滯后45 min，這對于低血糖的檢測很難適用［38］。最近，臺灣學者Phan等［39］提出了一種基于金基表面等離子體共振棱鏡耦合器的雙液晶可變緩速Mueller偏振測量系統，通過測量不同白蛋白濃度的葡萄糖組織模型溶液的圓二色性和圓雙折射特性，發現圓二色性隨白蛋白濃度的增加而增加，旋光角隨葡萄糖濃度的增加呈線性增加，這一發現為研制新型無創血糖檢測儀提供了可能。

1.6 熒光光譜法

熒光光譜法（Fluorescence）的依據是血液中存在的大量能發射熒光的基團（如血紅蛋白、芳香氨基酸、脂肪胺等）在特定波長光（如紫外光）照射下可瞬間激發出波長更長的熒光，而血糖濃度不同的血樣經激發產生的熒光強度與波長均有差異，據此可推斷血糖濃度［20］。熒光光譜法對低濃度血糖具有相對更高的靈敏度，但血液中可發射熒光的物質太多造成了血糖濃度分析的復雜性，而且皮膚顏色和表皮層厚度也會對熒光光譜產生影響［40］。目前利用熒光光譜法檢測血糖濃度主要通過體外測量或體內植入的方式。熒光光譜法被認為是通過技術改進有希望發展成為新的無創、連續的血糖檢測技術的一種方法［41］。2019年，山西大同大學翟紅等［42］利用碳量子點（CQDs）和鄰二氨基苯（ODB）構建了一種可通過比值熒光法和比色法同時進行定量檢測的新型比色熒光傳感器，并用于血清中葡萄糖的測定，為血糖傳感器的發展提供了新的思路。

1.7 其他光學方法

除上述典型光學方法外，中外研究者還嘗試了多種與光學相關的無創血糖檢測方法，如熱輻射光譜法［43］、光電容積脈搏波法［44］、太赫茲時域光譜法［45］、光熱偏轉法［46］、紅外線熱像法［47］等，這些方法均處于探索性研究階段，還需要更多的有效性驗證。此外，衰減全反射傅里葉變換紅外光譜（ATRFTIR）已用于多種疾病的診斷，在糖尿病監測方面的應用也開始出現。巴西Caixeta等［48］使用ATR-FTIR光譜評估非糖尿病、糖尿病和胰島素治療的糖尿病大鼠的唾液，證明唾液是可靠的光譜生物標志物。這一發現為使用ATR-FTIR這種非侵入性和綠色技術監測糖尿病提供了一種新的可靠的替代方案。2020年，韓國Park等［49］提出了一種超聲調制光學傳感（UoS）技術，該技術使用1 645 nm的紅外激光和單元素聚焦超聲換能器無創監測葡萄糖，這一工作為研制新型無創血糖傳感器提供了可能的方向。

2 非光學類無創血糖檢測方法

非光學類方法主要有代謝熱整合法、微波檢測法、電磁檢測法、血液替代物測定法、生物電阻抗譜測量法、人體成分分析法等。

2.1 代謝熱整合法

代謝熱整合法（Metabolic heat conformation，MHC）［50］根據人體代謝產生的熱量與血液中的血糖和含氧量正相關，通過多傳感器測量反映人體代謝熱量的溫度、濕度、血液流速及血氧飽和度數據，再通過代謝產生的熱量與血糖濃度、供氧量的函數關系進行計算，最終得到血糖濃度數值。國內學者陳真誠教授在代謝熱整合法的基礎上提出了能量代謝守恒法［51］。2019年8月，博邦芳舟醫療科技（北京）有限公司與清華大學合作研發的基于代謝熱整合法的無創血糖儀獲得首張由國家藥監局（CFDA）頒發的三類醫療器械注冊證（國械注準20193070602號）。該儀器可實現血糖的無創、快速測量（小于1 min）。經臨床試驗驗證，其檢測結果與靜脈血檢測的一致性達到94.5%，與指尖血檢測結果的一致性可達94.4%［52］。

2.2 微波檢測法

微波檢測法（Microwave sensing，MS）的原理是當微波（頻率為300 MHz～300 GHz）遇到血液中的葡萄糖分子時會發生相位、振幅等改變，通過測量這些改變可計算血液中血糖值［53］。該方法對葡萄糖濃度的微小變化敏感，信號穿透深度可以到達含有足夠葡萄糖的組織，但缺點是對呼吸、出汗水平和心臟活動等生理參數變化敏感［16］。

2.3 電磁檢測法

電磁檢測法（Electromagnetic sensing，ES）利用同一鐵芯上的輸入/輸出線圈進行交流電磁耦合，以測定兩個線圈之間介質（含葡萄糖的人體組織）的介電特性，并通過介電特性推導出葡萄糖濃度［54］。該方法使用對葡萄糖敏感的特定頻率（2.4～2.9 MHz），可將其它介質引起的干擾降至最低，但該方法對溫度高度敏感［16］。

2.4 血液替代物測定法

血液替代物測定法通過測定便于采集的體液中某些成分的變化，間接推算出血糖的含量。國內外學者嘗試用到的體液主要包括：唾液［55］、淚液［56］、汗腺［57］、呼出氣體［58］等。上述方法雖然測量方式簡單，但是血液替代物中的葡萄糖濃度與血液中的葡萄糖濃度并沒有明顯的相關性，所以測量準確性缺乏基礎性的原理支撐［29］。谷歌血糖檢測隱形眼鏡使用一個特殊的鏡片來預測身體葡萄糖濃度［59］，該項目于2014年啟動，通過植入隱形眼鏡中的微型傳感器檢測淚液中的葡萄糖含量，但是2018年該項目被中止，原因是臨床研究表明淚液葡萄糖和血糖濃度之間的相關性并不足以支持醫療器械的要求［60］。谷歌之后，以淚液作為生物標志物的血糖檢測隱形眼鏡的研究仍在其他研究團隊中進行，開發了諸如石墨烯－AgNW復合傳感器和安培傳感器，通過使用葡萄糖氧化酶來檢測淚液中的葡萄糖，因此淚液仍然是進行無創血糖檢測的一個非常有前途的靶點［61］。此外，在最新的研究報道中，研究人員利用分子印跡聚合物（MIP）成功檢測到尿液中的葡萄糖含量，這一發現使得尿液有可能成為新的血液替代物用于無創血糖檢測［62］。

2.5 生物電阻抗譜測量法

生物電阻抗譜（Bioimpedance spectroscopy，BIS）是指生物體在通過低于興奮閾值的交流弱電流時所表現出的導電特性和介電特性，可以反映人體細胞層次上的生理和病理狀態［63－65］。研究發現，血液中的葡萄糖濃度變化會改變細胞膜上轉運蛋白的活性，細胞外部的葡萄糖經細胞膜上的葡萄糖轉運蛋白運送到細胞內并作為能源物質給細胞利用的過程會改變細胞膜的通透性和介電屬性，而其它物質（如蛋白質、脂肪）卻不具有這種性質［66］。血液中葡萄糖濃度的升高不僅能夠使血漿電阻率增加，還會引起紅細胞內的鈉離子濃度降低，鉀離子濃度升高，進而影響紅細胞細胞膜的導電性，宏觀上人體組織的介電常數也會發生相應變化［67］。因此，測量不同頻率下血液或人體組織的電導率或介電常數，即能估計血液中葡萄糖的變化，進而實現血糖濃度的檢測［68］。

正是由于葡萄糖濃度與BIS之間存在某種必然的關系，國內外學者紛紛利用BIS進行血糖檢測的研究，但結果尚不理想。2012年，美國學者Malinin［69］開發了一種基于BIS測量的無創血糖監視儀樣機，設計了非常方便的手鐲式電極進行阻抗測量，但與有創血糖檢測結果相比，仍有20%的偏差。2016年，清華大學王曉浩/唐飛團隊［70］設計了一種基于BIS測量的人體血糖檢測系統，人體血糖測量試驗表明，血糖估計值與參考血糖濃度之間的相關系數為0.805 8，驗證了血糖濃度與人體阻抗之間的相關性，但血糖估計值最大相對誤差達35.59%，測量精度也不理想。根據BIS原理開發的商品化血糖儀如瑞士Pendragon公司研制的Pendra手表式血糖儀，曾經獲準在歐洲銷售，但由于個體差異的影響，其測量精度和穩定性同樣不令人滿意［71］。

為了透徹了解血液中葡萄糖與阻抗或介電常數之間的關系，國內外學者開展了更為基礎性的研究，并發現了有價值的規律。近幾年國內外多個課題組均發現，葡萄糖溶液的介電常數或電容量隨著葡萄糖濃度的增加而減小。Karacolak等［72］測量了不同葡萄糖濃度的人體血漿在500 MHz～20 GHz頻率范圍內的介電常數和電導率值，發現隨著血糖濃度的增加，血漿的介電常數和電導率均呈下降趨勢。中科院深圳先進技術研究院聶澤東博士等研究了不同葡萄糖濃度水溶液的介電-頻率特性，發現1 kHz～1 MHz頻率范圍［73］、500 kHz～5 MHz頻率范圍［74］水溶液的復介電常數的實部和虛部均隨著葡萄糖濃度的增大而減小。目前，根據阻抗原理進行血糖檢測越來越受到研究者的青睞，已有多個課題組成功開發出基于BIS測量的微創血糖傳感器［75－77］。上述研究為下一步發展基于BIS測量的無創血糖檢測技術奠定了理論與實驗基礎。

2.6 人體成分分析法

人體成分分析（Body composition analysis，BCA）是研究身體脂肪、蛋白質、肌肉、水等含量在體重中所占的百分比的檢測技術［78］。常用的人體成分參數有：體脂肪量（Fat mass，FM）、去脂體重（Fat free mass，FFM）、肌肉量（Muscle mass，MM）、體脂百分比（Percent body fat，%BF）、體質指數（Body mass index，BMI）、身體總水分（Total body water，TBW）、細胞內液（Intracellutar water，ICW）、細胞外液（Extracellular water，ECW）、細胞外液率（ECW/TBW）、蛋白質量（Protein mass，PM）、相位角（Phase angle，PA）等。

研究發現，人體成分參數與DM密切相關，可間接反映血糖的變化。四川大學Wang等［79］對2 698名孕婦（其中462位患有妊娠期DM）進行了人體成分分析，發現體脂百分比（%BF）可以作為識別妊娠期DM的風險因子。韓國Jun等［80］對45名DM患者和45名正常對照組進行了生物電阻抗分析法（Bioelectrical impedance analysis，BIA）測試，發現DM患者在50 kHz和250 kHz頻率點的相位角（PA）明顯低于正常對照組，證明PA具有作為DM篩查生物標志物的潛力。美國佛羅里達大學Jo等［81］研究發現，體質指數（BMI）聯合體脂百分比（%BF）有助于將血糖異常的人群進行分類。印度Solanki等［82］發現，2型DM患者普遍具有更高的體脂肪量（FM）和更少的肌肉量（MM）。俄亥俄州立大學Bower等［83］對846名DM患者和10 125名正常對照組進行對比測驗發現，全身體脂百分比（%BF）越高的男性DM患者對應的糖化血紅蛋白（HbA1c）越高，而軀干體脂百分比（%BF）越高的女性DM患者對應的HbA1c越高。天津醫科大學王真真［84］則發現，對于HbA1c水平不同的2型DM患者，其人體成分亦會隨著HbA1c的升高而有所變化。具體表現為：在男性患者中，身體總水分（TBW）、蛋白質量（PM）、肌肉量（MM）明顯減少，而在女性患者中則以體脂肪量（FM）的增加最為顯著。

BIA是一種基于生物電阻抗測量的人體成分分析技術［85］，其原理是利用人體不同成分（肌肉、脂肪、骨骼、水分）導電性能不同的特點，以統計回歸的方法實現人體各組成成分的定量估計，具有安全無害、操作簡便、可連續監測等諸多優點，廣泛應用于醫學、體育、健身、美容等多個領域。因此，通過BIA測量獲得整體的人體成分信息，有望建立一種新的阻抗式無創血糖檢測方法。

各種無創血糖檢測技術優缺點的比較如表1所示。

表1 無創血糖檢測方法比較Table 1 Comparison of non-invasive blood glucose detection methods

3 結論與展望

本文對當前國內外現有的無創血糖檢測方法進行了綜述。光學類無創血糖檢測法檢測方便，但存在血糖對光譜的吸收特性復雜多變、對測試條件要求高、個體差異等不利因素，大部分方法的準確性和穩定性至今未達到臨床應用的要求。僅以色列Cnoga公司研發的基于光學反射原理的CoG無創血糖儀實現了商品化，但目前缺乏該產品的使用報告。非光學類無創血糖檢測法中，只有博邦芳舟醫療科技（北京）有限公司研發的基于代謝熱整合法的血糖儀獲得了CFDA的資質認證；其它無創血糖檢測法如血液替代物（汗腺、唾液、淚液、呼氣等）測定法等均處于實驗室研究探索階段，其有效性還有待驗證。目前市場上尚無通過美國食品藥品監督管理局（FDA）批準的無創血糖檢測儀器。

總體而言，傳統的有創血糖檢測法已成為糖尿病患者診斷、治療和自我管理的最大瓶頸。“怕痛”“怕麻煩”“總忘記”成為眾多糖友難以堅持血糖監測的理由，嚴重限制了糖尿病患者進行血糖檢測的頻率，使得糖尿病患者無法得到及時、準確的治療［86］。由于2型糖尿病早期大多無特異癥狀，在臨床確診前可有9～12年的潛隱期［87］，許多糖尿病患者確診時心、腦、腎、眼等多器官已發生并發癥，嚴重影響了患者的身心健康和生活質量，也給個人、家庭和社會帶來沉重的負擔。基于人類天生對于疼痛的恐懼，以及數億受眾群體帶來的巨大商機，無創血糖檢測技術取代傳統的有創、微創血糖檢測技術是未來發展的必然趨勢，因此無創血糖檢測具有重要的應用價值和廣闊的市場前景。

最新科學研究發現，血液中葡萄糖濃度的變化會改變細胞膜的導電特性，人體成分參數變化也與糖尿病密切相關，證明了BIS以及BIA在血糖檢測方面的應用潛力；基于BIS測量的微創血糖傳感器的成功研制為下一步發展新的無創血糖檢測技術奠定了理論與實驗基礎。因此，生物電阻抗技術有望在未來實現無創血糖檢測技術新的突破。除此之外，多種物理方法交互作用也可能提升傳統的無創血糖檢測方法的測量精度，如磁場作用下的近紅外光譜血糖檢測法［88］等。