血糖无创检测原理及仪器实现研究

第27卷 第1期

2010年 2月

生物医学工程学杂志

JournalofBiomedicalEngineering

Vol.27 No.1February 2010

血糖无创检测原理及仪器实现研究

季 忠

1,2

2

2

1

*

秦子辉 程星星 综述 彭承琳 审校

1(重庆大学生物医学工程学院,重庆400044)

2(重庆大学机械传动国家重点实验室,机械工程学院测试中心,重庆400044)

摘 要:阐明了无创血糖检测是血糖检测技术的发展方向。它可以实现对血糖浓度更加及时地监控,减少或减轻糖尿病人的并发症,对糖尿病的诊断和治疗具有重大意义。对人体血糖无创检测方法和仪器的现状进行了讨论,重点介绍了三种有仪器面世的方法,包括实现血糖无创检测的基本原理、试验验证结果以及仪器研究进展,并讨论了每种方法在实现血糖无创检测中存在的问题。最后对当前无创血糖检测中的难点进行了进一步的讨论,并在此基础上分析指出了未来无创血糖检测技术的发展方向。关键词:血糖;无创;仪器

中图分类号 TH776 文献标识码 A 文章编号 1001 5515(2010)01 0222 05

StudyofPrinciplesofNon invasiveGlucoseMonitoringand

InstrumentswiththeMethods

JiZhong

1,2

QinZihui ChengXingxing PengChenglin

112

1(CollegeofBiomedicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

2(TheStateKeyLaboratoryofMechanicalTransmission,TestCenterCollegeofMechanicalEngineering,

ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

Abstract:Non invasivebloodglucosemonitoringwillbethedevelopmentdirectionfordetectingthebloodglucoseconcentrationofbodyintime.Inthisway,theconcentrationofthebloodglucosecanbecontrolledeffectively,thenthecomplicatingdiseasesofdiabetescanbereduced,soitisofgreatsignificancefordiagnosisandtreatmentofdiabe tes.Therecentdevelopmentsofnon invasivebloodglucoseconcentrationmonitoringtechnologies,includingbasicprinciples,resultsofverificationtestandinstruments,arediscussed,especiallythreemethodswithinstrumentsfa cingmarket.Theexistingproblemsofthesemethodsarealsodiscussed.Finally,somedifficultpointsofcurrentnon invasivebloodglucosemonitoringmethodsarefurtherdiscussedandthefuturetrendofthetechnologieshasbeenpointedoutaccordingtotheaboveanalysis.

Keywords:Bloodglucose;Non invasive;Instrument

引言

糖尿病是一种世界范围内的流行疾病。据世界卫生组织(WorldHealthOrganization,WHO)估计,目前全世界有1 8亿人患有糖尿病,并且这一数字到2030年将增加一倍以上

[1]

岛细胞分泌胰高血糖素和胰岛素来完成[3]。目前全球的糖尿病人中,有大约10%为 型糖尿病患者,

近90%为 型糖尿病患者,另外,有2%的患者为妊娠型糖尿病[4]。任何一种糖尿病对病人的健康都造成严重的威胁,主要的负担是由糖尿病所引起的一系列慢性并发症。据世界卫生组织统计,糖尿病患者死亡的危险比未患糖尿病的同龄人至少增加一倍。糖尿病不仅给患者及其家庭带来了极大的痛苦,而且也给国家和社会带来了沉重的经济负担,因此预防和治疗糖尿病具有十分积极的意义。

由于受到现代医学发展水平的限制,目前还没。

血糖是人体各组织细胞活动的能量来源,所以必须保持一定的血糖水平才能维持人体各器官和组织的需要[2]。人体血糖浓度的调节主要靠胰腺的胰

*重庆市自然科学基金资助项目(CSTC,2009BB5035)

平总是在高血糖和低血糖之间没有明显规律地上下波动

[5]

同,所以对每一波长的光谱吸收和反射值进行测量并标定,就可以检测出血糖浓度为:

I=I0e- effd,

(1)

其中I0、I分别为入射和出射光强, eff为光的衰减

系数,d为光在组织中的传播程长。

当葡萄糖浓度变化时,它从吸收和散射两个方面改变组织的光学特性:一方面,随着糖浓度的增加,糖自身的本征吸收增加,同时,糖的增加会置换介质中一些其他的生理成分,导致其他分子对光的吸收减少,从而影响组织的吸收特性;另一方面,糖浓度的增加会改变组织液的折射率,导致组织液中散射介质与背景介质折射率的不匹配,从而影响组织的散射特性[7]。因此 eff可以进一步表示为:

eff=f( a, s),

(2)

a为吸收系数,而 s为散射系数。其中

1.1.2 近红外方法的产品 由FutrexInc.公司研

[8]

。糖尿病控制与并发症实验报告表明,通过。

频繁的检测血糖浓度来调整降糖药物和胰岛素用量,从而对血糖浓度严格控制可以有效减少糖尿病引发的并发症[6]。但是迄今为止,最简便的家用血糖检测方法是在受检者指尖取血样检测,这种血糖自我检测方法虽然极大地提高了对糖尿病人的护理水平,但是也有一些缺点,比如操作繁琐,给患者造成疼痛,有感染其它疾病的危险,给患者造成心理上的压力,不利于血糖的频繁检测,并且检测的成本较高等。同时这种频率不高的离散时间点的检测可能会漏掉一些血糖高于或低于正常水平的情况[5],从而对糖尿病的护理不利。因此,迫切需要使用新方法,开发新的检测仪器,来适应糖尿病患者检测频度的需要。

近年来这方面的研究已成为国际学术界的热点,出现了应用各种原理的检测方案,有些研究者研制出接近临床实用的样机,也有一些此类的产品出现。这些无创性血糖检测技术中比较活跃的方法有:近红外光谱、中红外光谱、拉曼光谱、阻抗谱、偏振光谱、光声光谱以及反离子电渗透等。本文将讨论目前研究较多、技术相对成熟并且有仪器面世的几种方法,并对每种方法存在的技术上的难点进行分析。

根据光的传播理论,光在组织中的衰减表示

制生产的DreamBeam血糖仪,利用的是近红外光谱技术。这种仪器结构简单,可以用电池作为驱动电源,体积小、易于携带,方便患者在家庭中使用。

患者只要将一个手指插入仪器的测量小孔中,仪器马上就能显示测量数据。近红外发光器件发出的光经过单色光滤光片后,入射到患者的手指根部。透过手指的光被光电探测元件接收,经过电路处理后可显示出血糖浓度值。吸收率的幅值大小直接与血糖浓度有关,所以只要测得某个光谱频率上的吸收率,就可以计算出被测血糖的浓度。为了提高测量精度,尽量排除血液中其它成分对测量的影响,经常选择多个波长的光同时测量[10]。

不过在精度方面,DreamBeam表现并不出色。1996年美国证券和交易委员会对FutrexInc.公司进行了起诉并最终裁定,该公司生产的DreamBeam无论是测试数据、临床验证还是发布的验证报告都存在造假行为,该仪器根本不能达到其声称的超过手指采血的血糖分析仪的检测精度。

另一种利用近红外方法实现的仪器是由BICOInc.公司生产的Diasensor。检测时只需将前臂放在测试的托盘上,两分钟即可测出血糖值。它的目标是方便患者能在大多数情况下使用无创的自我检测仪,但不能代替有创的血糖检测方法,而且它不能检测出血糖过低的情况。该仪器体积较大,不方便携带。

[11]

[9]

1 血糖无创检测技术

1.1 近红外光谱技术

1.1.1 基本原理 近红外光谱对人体血糖分析基于的波段范围为750~2500nm,波长越长可以检测的深度越 …… 此处隐藏：3692字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……