1、第 1 页 共 39 页无创血糖浓度检测技术的研究摘要糖尿病是目前较为普遍的一种内分泌疾病，在美欧等发达国家约有3%的人口患有不同程度的糖尿病，在我国随着人民生活水平的不断提高，糖尿病的发病率呈上升趋势。糖尿病患者减少由糖尿病引起的并发症的重要手段是自我监测，目前主要的检测方法是有创或微创的，给患者不可避免的带来痛苦和不便。无创血糖检测技术具有无疼痛、无感染、测量简单、测量速度快等优点, 能有效地满足糖尿病人实时、频繁监测血糖浓度的需要, 是血糖检测技术发展的方向。其中近红外无创血糖检测是最有前景的无创血糖检测方法之一, 是无创检测技术研究的热点。本文对利用近红外光漫反射技术进行无刨血糖检测研
2、究进行了综述，介绍了检测系统的工作原理及硬件组成，分析了其优缺点，总结陈述了目前国内外的研究及发展。关键词： 近红外光谱，血糖浓度，糖尿病，无创检测第 2 页 共 39 页Non-invasive blood glucose levels of detection technologyAbstractDiabetes is a prevalent incretion disease at present. In America and Europe there are 3% of the population suffer the diabetes disease. In China, wit
3、h the development of living status,the incidence of diabetes is in a climbing trend.All of the chemical con- tents in human blood are always the important information which evaluate the health status of people . Blood glucose is a key parameter to estimate diabetes. The typical method of testing blo
4、od glucose need sample from vein of diabetes, which not noly spends much time and money, but also make it impossible for most disbetes to test themselves many times a day . Non-invasive blood glucose monito ring will be the best online method to detect the blood glucose concentration of body in time
5、, which has some advantages, such as painless, absent of infection, simple and rapid meas- uring. It is thought that non-invasive blood glucose detection through nearinfrared spectroscopy should be a focal topic as one of the best noninvasive blood detection techniques in future. In this paper, the
6、potential of near infrared spectra as a non- invasive method has been discussed on the basis of theoretical consideration and its advantages through analyse and preference the difernece of the near infrared sepetra with other methods，and introduced the examination systems principle of work and the h
7、ardware composition. Keywords： near infrared spectrum，blood glucose ，diabetes ，non-invasive measurement第 3 页 共 39 页1 引言1.1 本课题研究背景糖尿病是一种常见的内分泌疾病，发病率高，是危害人类健康的四大疾病之一。据报导，在美欧等发达国家约有3的人都不同程度的患有糖尿病，1994年的统计数据就表明我国的糖尿病发病率达2.5，患者人数多达二千万以上。随着人民生活水平的不断提高，糖尿病的发病率呈上升趋势。预计2010年全球糖尿病患者将达到2.2亿以上，因此对糖尿病的诊断和治疗具有重大
8、意义。糖尿病是由于体内胰岛素缺乏引起的代谢紊乱性疾病或内分泌疾病,病症最初为体内血糖失控, 血糖浓度的异常导致体内代谢紊乱, 引起糖尿病酮症、心脑血管病变、肾病、眼病等并发症。糖尿病及其并发症已成为严重威胁人类健康的世界性公共卫生问题。目前还没根治糖尿病的有效手段, 主要是采取控制血糖浓度以预防或减轻并发症的发生,特别是通过频繁地监测血糖浓度并及时调整口服降糖药物和胰岛素的用量。目前的血糖测量方法主要为生化血糖测量方法、微创血糖检测方法和无创血糖检测方法。生化血糖检测方法和微创血糖检测方法的技术已经比较成熟,也是目前血糖测量的主要方法,但上述两种测量方法都需要取血测量,由于抽血(或手指扎针取血
9、) 会造成疼痛,而且有感染的危险,这就限制了测定血糖的频率,使大多数糖尿病患者不能实现所希望的血糖监测。无创伤血糖检测技术的研究就是在这一背景下开展的,近年来这项技术的研究已成为科技发达国家研究的热点，我国也多次将其列入国家自然科学基金、科技创新基金资助的行列。目前无创伤血糖检测方法主要有微波检测法、旋光法、光声法、喇曼光谱法、光散射系数法、红外光谱法等几种方法。波长 70Onm-250Onm 的光称为近红外光，它是电磁波。从光源发出的红外光照射到由一种或多种分子组成的物质上，如果分子没有吸收，则光穿过样品，该物质分子为非红外活性分子，否则就为红外活性分子。只有红外活性分子中的键才能对近红外光
10、子发生作用，产生近红外吸收谱。分子在近红外光谱区内的吸收产生分子振动或转动的状态变化或者分子震动或转动状态在不同能级间的跃迁。近第 4 页 共 39 页红外无创血糖浓度检测方法的本质是在近红外光谱区葡萄糖的 C-H、N-H、O-H 振动合频和倍频信号提供丰富的信息，根据已知样品的光谱信息和葡萄糖浓度，建立一个数学模型，并利用该模型，根据样品的光谱来预测葡萄糖浓度。近红外光谱测量血糖以朗伯-比耳(Lambert-Beer)定律为基础，样品的吸光度与其成分的浓度具有线性相关性，利用葡萄糖光吸收特异性来测量其浓度。由于近红外光谱技术在对物质的分析测试中有以下优点：（1）近红外光区域的吸收系数小；（2
11、）适用于漫反射技术；（3）近红外光可以在玻璃和石英中穿透；（4）投资及操作费用低；（5）可以用于样品的定性也可以得到精度很高的定量结果；（6）不用试剂，故不污染环境；（7）测定速度极快。这些特点使得近红外光谱技术在很短时间内已成为无创血糖检测的主要方法。1.2 本课题国内外研究现状在近红外光谱区以桑迪亚国立实验室与新墨西哥医科大学的Haaland和德国Heise为首的研究小组进行的研究工作较多。Heise等人提出使用去水样品和短光程的方法，以排除由于水的吸收率较大而形成的干扰，运用漫反射技术来建立血糖浓度的校正模型。在无创测量人体血糖浓度方面，采用口腔内静脉血作为样品，光谱的采集区间为两个水的
12、吸收峰较高的1900nm和1450nm之间的区域，这样的校正模型误差大约在25mmolL左右。麻省理工的Kamal youcefroumi等认为，用近红外测量葡萄糖的浓度时，近红外区分布着葡萄糖吸收信号的合频和倍频，葡萄糖的吸收峰在2257nm处，温度的变化对葡萄糖吸收也有影响，影响无创血糖测量的关键因素为：信噪比较低；测量的不可重复性。同时水在1500nm-1900nm和2100nm-2320nm处透射率较大，2100nm-2320nm处重复性比较高，因此选用这一波段来对葡萄糖浓度进行建模，由于人体组织的变化对光谱的改变远大于血糖浓度变化对光谱的改变，所以测量很可能是不可重复的，所以需要对每
13、种组织的噪声光谱特点进行研究。对于影响测量精度，特别是水和温度的影响，在建立数学模型时必须采取一定的方法给予矫正。Fuurex公司的Rosenthal等人提出通过对人体部位透射或反射在6OOnm-1100nm的光，并用一组过滤器和探测器对光进行分析。原理上。在波长选取、公式标定接近近红外品质分析法，且该方法适用于人体这样一个复杂体系。但所选波长的数目受到了限制。与国外研究相比，国内起步较晚。这项研究不仅需要较高精度的仪器，如：第 5 页 共 39 页近红外分光光度计，精确的生化定标装置，而且研究者还需要与医院紧密协作，以取得建模所需要的大量临床数据。天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室和中
14、国医科大学沙宪政、李明菊等人在这方面进行了比较多的研究，但就总体而言，采用的方法较简单、样本较少、缺乏临床数据。1.3 本课题研究难点在用近红外光光谱测量血糖浓度中，波长的选取是最关键的。近红外光谱区域中，c-H、0-H、c=0键在有机化合物中的谱带近似位置确定。水是生物组织中的主要成分，不但有单一的红外光谱，还有丰富的扩展到近红外区域的合频和倍频光谱。对水的红外光谱分析可知，水在波长为1440nm-1460nm和1940nm -1960nm区域吸收度最强，所以水溶液物质的分析波长应避开这两个区域。另外由于人体皮肤色素层的吸收在llOOnm以下，所以波长的选择必须能够穿透色素层。Fuurex公
15、司选取600nmllOOnm范围测量，很好的降低了血液中水份和其他成分的影响。但由于葡萄糖在1410nm、1540nm、1590nm等处也有吸收峰出现，因此在单一的波段内测量血糖是不合适的，造成的误差会很大。选择一部分光谱对血糖浓度很敏感，另一部分光谱对血糖变化敏感度较低，这样才能最大限度地减小血液中其他成分的影响。在近红外无创血糖测量中人体的不确定因素较多，要想得到最佳的检测结果，必须选择合适波长的近红外光能穿透且人体内部因素的干扰较小的检测部位。除水份之外脂肪是影响信噪比的一个重要因素，它的比例会影响测试结果，检测部位最好选择脂肪少，血液较丰富，穿透性好，方便测试的部位进行。必须最小化干扰
16、因素以适应葡萄糖检测的敏感性和可靠性。在本设计中我们采用手指真皮层作为检测部位。但人体血糖无刨检测的成功尚需要解决以下技术难点：葡萄糖分子在近红外吸收很小、干扰大；仪器精度、信噪比要求很高；必须找到快速准确的算法；排除人体其它成分的干扰；稳定的外部环境。1.4 本课题设计原理本课题设计的无创血糖检测仪设计采用近红外光谱分析技术原理，检测部位选择指尖，检测系统数据采集装置，数据处理装置组成。由一系列的近红外高功率特定波长的激光二极管组成的光源发出激光，经过漫反射光信号从指尖及转移第 6 页 共 39 页到光电二极管和热电偶然后传送到数据采集板，然后通过 USB 接口传送到计算机进行分析处理。同时
17、加入一个温度监测装置监测手指温度变化。 其装置示意图如下：图 1.4 系统硬件图1.5 本课题研究前景与意义采用近红外光谱技术测量血糖浓度是在生物医学应用的重要方面。同时一种快捷准确的检验方法迫切需要。国内外许多学者和专家在利用近红外光谱技术进行血糖监测方面，进行了一些研究和尝试，但至今尚未有完善的用于临床和家用监测的报道。相信随着对近红外光谱分析理论的进一步研究与数学模型进一步建立校正，用近红外光谱技术进行血糖监测会成为当今研究的一大热点。该技术的运用成熟对糖尿病患者和医护人员是一个福音，也是生物医学领域中的一场革命。第 7 页 共 39 页2 糖尿病及血糖检测技术简介本章对糖尿病的定义，发
18、病原因和诊断标准及该病对人体的危害做了简单的总结；随着糖尿病发病率越来越高,血糖浓度测量受到足够的重视。国际上众多科研机构都开展了无创血糖检测的研究,检测方法也多种多样。纵观以上各种测量方法,都是各有难点,因此目前还都停留在科研攻关阶段,还没有能真正临床应用的无创血糖检测的报道。但总的来说无创血糖检测是血糖测量的发展趋势是能够真正实现糖尿病人实时自测血糖的唯一方案。在各种无创血糖检测方法中,近红外无创血糖检测技术由于其自身的优点, 被认为是最有应用前景的无创血糖检测技术之一,也是目前投入研究最多的无创光谱检测技术之一。相信随着一些相关技术问题的解决,近红外检测技术将能实现真正意义上的无创血糖测
19、量和“绿色测量”。2.1 糖尿病简介2.1.1 糖尿病定义糖尿病是最常见的慢性病之一。随着人们生活水平的提高，人口老龄化以及肥胖发生率的增加，糖尿病的发病率呈逐年上升趋势。糖尿病在中国的发病率达到 2，据统计，中国已确诊的糖尿病患者达 4000 万，并以每年 100 万的速度递增。糖尿病是由遗传和环境因素相互作用而引起的常见病，临床以高血糖为主要标志，常见症状有多饮、多尿、多食以及消瘦等。糖尿病若得不到有效的治疗，可引起身体多系统的损害。引起胰岛素绝对或相对分泌不足以及靶组织细胞对胰岛素敏感性降低，引起蛋白质、脂肪、水和电解质等一系列代谢紊乱综合征，其中一高血糖为主要标志。临床典型病例可出现多
20、尿、多饮、多食、消瘦等表现，即“三多一少”症状。 糖尿病分 I 型糖尿病和型糖尿病。其中 I 型糖尿病多发生于青少年，其胰岛素分泌缺乏，必须依赖胰岛素治疗维持生命。型糖尿病多见于 30 岁以后中、老年人，其胰岛素的分泌量并不低甚至还偏高，病因主要是机体对胰岛素不敏感（即胰岛素抵抗）。 胰岛素是人体胰腺 细胞分泌的身体内惟一的降血糖激素。胰岛素抵抗是指体内周围组织对胰岛素的敏感性降低，组织对胰岛素不敏感，外第 8 页 共 39 页周组织如肌肉、脂肪对胰岛素促进葡萄糖摄取的作用发生了抵抗。研究发现胰岛素抵抗普遍存在于型糖尿病中，几乎占 90以上，可能是型糖尿病的发病主要因素之一。I 型糖尿病患者在
21、确诊后的 5 年内很少有慢性并发症的出现，相反型糖尿病患者在确诊之前就已经有慢性并发症发生。据统计有 50新诊断的型糖尿病患者已存在一种或一种以上的慢性并发症，有些患者是因为并发症才发现患糖尿病的。糖尿病治疗必须以饮食控制、运动治疗为前提。糖尿病人应避免进食糖及含糖食物，减少进食高脂肪及高胆固醇食物，适量进食高纤维及淀粉质食物，进食要少食多餐。运动的选择应当在医生的指导下进行，应尽可能做全身运动，包括散步和慢跑等。在此基础上应用适当的胰岛素增敏剂类药物，而不是过度使用刺激胰岛素分泌的药物，才能达到长期有效地控制血糖的目的。2.1.2 糖尿病的病因与 I 型糖尿病有关的因素有：自身免疫系统缺陷：
22、因为在 I 型糖尿病患者的血液中可查出多种自身免疫抗体，如谷氨酸脱羧酶抗体（GAD 抗体）、胰岛细胞抗体（ICA 抗体）等。这些异常的自身抗体可以损伤人体胰岛分泌胰岛素的 B 细胞，使之不能正常分泌胰岛素。遗传因素也是一个重要的原因：目前研究提示遗传缺陷是 I 型糖尿病的发病基础，这种遗传缺陷表现在人第六对染色体的 HLA 抗原异常上。科学家的研究提示：I 型糖尿病有家族性发病的特点如果你父母患有糖尿病，那么与无此家族史的人相比，你更易患上此病。病毒感染可能是诱因：也许令你惊奇，许多科学家怀疑病毒也能引起 I 型糖尿病。这是因为 I 型糖尿病患者发病之前的一段时间内常常得过病毒感染，而且 I
23、型糖尿病的“流行”，往往出现在病毒流行之后。病毒，如那些引起流行性腮腺炎和风疹的病毒，以及能引起脊髓灰质炎的柯萨奇病毒家族，都可以在 I 型糖尿病中起作用。其他因素：如牛奶、氧自由基、一些灭鼠药等，这些因素是否可以引起糖尿病，科学家正在研究之中。与型糖尿病有关的因素：遗传因素，和 I 型糖尿病类似，型糖尿病也有家族发病的特点，因此很可能与基因遗传有关。这种遗传特性型糖尿病比 I 型糖尿病更为明显。型糖尿病的一个重要因素可能就是肥胖症，遗传原因可引起肥胖，同样也可引起型糖尿病。身体中心型肥胖病人的多余脂肪集中在腹部，他们比那些脂肪集中在臀部与大腿上的人更容易发生型糖尿病。年龄：年龄也第 9 页
24、共 39 页是型糖尿病的发病因素。有一半的型糖尿患者多在 55 岁以后发病。高龄患者容易出现糖尿病也与年纪大的人容易超重有关。现代的生活方式：吃高热量的食物和运动量的减少也能引起糖尿病，有人认为这也是由于肥胖而引起的。肥胖症和型糖尿病一样，在那些饮食和活动习惯均已“西化”的美籍亚裔和拉丁美商人中更为普遍。2.1.3 糖尿病的危害糖尿病无法治愈，其主要危害在于它的并发症，尤其是慢性并发症。糖尿病合并感染：发病率高，两者互为因果，必须兼治。常见感染包括呼吸道感染和肺结核、泌尿系感染和皮肤感染。糖尿病高渗综合症：多发生于中老年，半数无糖尿病史，临床表现包括脱水严重，有时可因偏瘫、昏迷等临床表现而被误
25、诊为脑血管意外，死亡率高达 50%。乳酸性酸中毒：患者多有心、肝、肾脏疾病史，或休克、有感染、缺氧、饮酒、大量服用降糖灵史，症状不特异，死亡率高。 大血管并发症：（1）脑血管：患病率比非糖尿病者高 3 倍，是糖尿病患者残废或早亡的主要原因，其中堵塞性脑血管疾病多见；（2）心血管：患者病率比非糖尿病者高 3 倍，是糖尿病患者早亡的主要原因，以冠心病较为多见。临床特点包括冠心病发病率高而且发病时间早，女性糖尿病的心血管病变发生率增高更为明显，无痛性心肌梗塞等非典型性临床表现多见等等；（3）下肢血管：患病率比非糖尿病者高 5 倍，糖尿病下肢血管病变造成截肢者要比非糖尿病患者多 10 倍以上，是引起糖
26、尿病患者肢体残废的主要原因。 微血管并发症：（1）肾脏：患病率尿毒症比非糖尿病者高 17 倍，是糖尿病，特别是型糖尿病患者早亡的主要原因。患者可有蛋白尿、高血压、浮肿等表现，晚期则发生肾功能不全；（2）眼底：双目失明比非糖尿病者高 25 倍，是糖尿病患者残废的主要原因之一。 神经并发症：（1）感觉神经：疼痛、麻木、感觉过敏；（2）运动神经：可见单神经麻痹引起的运动障碍，局部肌肉可萎缩；（3）植物神经：出汗异常、血压及心率变化、尿失禁或尿潴留、腹泻或便秘等。另外，流行病学研究表明：型糖尿病患者在最初两年内发生糖尿病视网膜病变占 2，15 年以上糖尿病视网膜病变发病率高达 98；型糖尿病患者 20
27、第 10 页 共 39 页年以后，使用胰岛素或不使用胰岛素病人的糖尿病视网膜病变发病率分别为 60和 84；早期视网膜病变可出现为出血、水肿、微血管瘤、渗出等背景性改变，晚期则出现新生血管的增殖性病变，此期病变往往不可逆，是导致糖尿病患者失明的重要原因。虽然血糖控制得好可以延缓、减轻糖尿病视网膜病变的发展，但是不能阻止糖尿病视网膜病变的发展。2.2 血糖监测技术发展血糖和尿糖的浓度是糖尿病诊断的重要依据，所以血糖和尿糖的检验就成为糖尿病检测的重要手段。其中血糖浓度可以准确反映糖尿病患者的病情。血液中的糖称为血糖，主要指葡萄糖。生理状态下，其浓度相当恒定，空腹时血糖浓度为 3.96.1mmolL
28、。一天中血糖浓度有一定的波动，进食后血糖浓度暂时升高，但约两小时后又恢复至正常水平。血糖是糖的运输形式，可供各组织器官利用。血糖测定是生物化学检验中历史最久，占日常工作量比重较大的项目之一。其测定方法很多，按反应机制主要有三大类：氧化还原法，是利用葡萄糖的还原性而建立的一类测定方法；缩合法葡萄糖在热酸性溶液中能与多种芳香族化合物缩合生成有色产物，可作为糖测定的芳香族化合物有酚类和芳香胺类；酶法目前血糖测定最常用的方法是酶法，包括葡萄糖氧化酶(GOD)法，己糖激酶(HK)法和葡萄糖脱氢酶(GDH)法。目前在医院进行血糖的检测大多已不用全手工操作，在大型医院中一般用全自动生化分析仪。全自动生化分析
29、仪多为国外品牌，有美国的贝克曼系列，日本的日立系列、东芝系列等。自动生化分析技术是以机械的方式模拟手工操作，完成取样、加试剂、保温、显色、比色和计算结果的报告打印等多个步骤，并按照分析程序，把这些步骤连接起来，使一个分析项目的整个过程按预定的程序自动完成。对于糖尿病患者的日常血糖监测，目前流行的是微创血糖仪，它的原理是从人体手上取微量血液涂于试纸上，然后进行比色。目前市场上有美国的强生，瑞典的罗氏，国内也有许多品牌。近年来，随着激光及其检测技术的不断发展，人们探索研究了多种基于光学技术的无创血糖检测方法，如利用葡萄糖分子对近红外光的吸收特性而发展起来的光透射、光反射谱以及喇曼光谱等方法；利用葡萄糖分子对近红外光的偏振特
