血糖无创检测原理及仪器实现研究(2)

1.1.3 关键技术问题 由于生物内部组织结构及组织成分复杂多样,组织中水、脂肪、蛋白等其它成分在近红外区域与血糖吸收谱带严重重叠,使得血糖在近红外区域光谱吸收峰不显著,由人体血糖浓度变化引起的光谱信号变化就非常微弱,导致信噪比和测量精度较低[12]。因此,检测血糖的浓度,需要研究强噪声背景下微弱信号的提纯和处理方法。个体差异也会影响血糖值的预测精度。例如人体温度[13]、血压的变化,皮肤的水合物及甘油三酸脂等的浓度均对检测结果带来一定的影响。这些个体差异有些可以通过特定的传感器测得。

检测条件对光谱测量的影响也是一个突出的技术问题。如检测时探头的位置与压力[14]、仪器间断使用造成的微小的温度变化,都可影响信号的变化。还有测量部位的温度、湿度、光的入射面积、角度等测量条件的变化也都将直接影响光的传播,并且其导致的光强变化远大于因糖浓度变化引起的光强变化

[15]

。因此,如果没有稳定的测量条件或者行之有

效的消除测量噪声的方法,精确地提取血糖浓度的信息几乎是不可能的。

另外,无创血糖检测仪的主要使用对象是糖尿病患者,而糖尿病人的一些特殊情况也会影响到检测精度。例如,高血糖会引起血管舒张,从而使组织的吸收系数增大[16]。高血糖还会引起皮肤结构的相应变化,使皮肤变厚变黄,从而改变组织的光学特征。另外,糖尿病人使用的各种药物,也会对光谱的吸收产生一定的影响。这些与患者有关的特殊参数,也需要在后期的检测分析和实验验证中特别考虑。

1.2 反离子电渗透法

1.2.1 基本原理 这种方法是通过对置于皮肤表面的正负极施加一定的电压,从而在正负极之间形成电势,促使皮下组织中的氯离子和钠离子分别向正负极移动,形成一个从皮肤表层经过皮下组织并回到皮肤表层的恒电流通道。因为在生理pH值条件下,皮肤表层带负电荷,所以恒电流通道的主要电荷载体是带正电荷的钠离子。钠离子的电迁移就形成了一个由正极到负极的离子流,反离子电渗透技术就是利用这个离子流将皮下组织液中的中性分子葡萄糖等携带到皮肤表面。

通过电渗透携带出的葡萄糖与人体血液中的血[18 20]

[17]

定被测组分浓度的一种光学方法[22]。

光声光谱法检测血糖采用的是脉冲激光束照射人体的某个部位,这个激光束的波长应该是可以被

葡萄糖分子吸收的波段。组织内部由于葡萄糖分子等的吸收作用而导致微弱的局部变热,温度升高引起急剧快速的热膨胀而产生超声压力波,从而使放置于组织表面的检测器能检测到超声压力波,即光声信号。利用光声信号的幅度与吸收系数之间的关系可以检测组织内部血糖浓度的水平。

在光声光谱分析中,光声脉冲信号与介质性质的关系可以用下式表示[23]:

PA= (! /Cp)E0 a,

n

昂贵,并且对环境因素非常敏感。

2 总结与展望

综上所述,随着糖尿病发病率越来越高,血糖浓度的检测受到越来越多的重视。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。纵观以上各种检测方法,无创血糖检测中存在一些共同的技术瓶颈:(1)无论采用哪种无创检测方法,血糖浓度变化产生的有效信号都非常微弱,精确和可靠地检测这些信息需要仪器具有非常高的信噪比;(2)为了从测量的数据中提取出血糖浓度的信息,需要使用各种各样的数据处理方法,这也是一大难点;(3)对于来自人体内部的生理背景变化,由于其变化本身具有不可预测性,且与葡萄糖浓度都具有时变特性,因此很容易与血糖的信号产生偶然相关,这是目前血糖无创检测中最大的障碍

[9]

(3)

其中PA为信号的振幅, 为一个比例常数,E0为入

射脉冲的能量,!为热膨胀系数, 为在介质中的声速,n=2,CP为比热, a为光的吸收系数。

该技术在血糖检测方面可以提供比传统的光谱方法更高的灵敏度。这是由于水的光声响应相对比较弱,因而更容易检测一些化合物,比如碳水化合物和葡萄糖

[11]

。从上

面几个已经研究出来的仪器也可以看出,在检测精度方面,无创检测还不足以代替传统有创的血糖检测,只能为糖尿病护理提供参考。

另外还有一些非技术方面的因素影响血糖无创检测技术的研究进展。由于各个研究组织的技术保密性,很多研究者发表的文献都没有给出具体数据,专利中有许多细节保留,基本的测定数据和曲线都没给出,并且由于交流不足,造成许多研究工作的重复。我国的无创血糖检测的研究起步较晚,在技术和设备等各方面都较国外落后,用于构造模型的基础数据和临床数据很少。

总的来说,无创血糖检测是血糖测量的发展趋势,其实用价值和商业价值注定它的前景是光明的。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检测技术之一。

下一步的关键是将成熟的软硬件技术结合人体的特性,综合考虑检测方法,解决人体检测的特殊问题。随着各项技术基础理论的逐步阐明和实验结果的日趋丰富,血糖无创检测技术将可以最终实现,仪器的功能也会日趋完善,为糖尿病的诊断和治疗带来革命性的进步。最后,新一代的无创血糖仪应该可以很好地排除各种干扰并且具有低价位、快速响应、准确以及标定程序简单易操作等优点,增加病人使用时的舒适感,避免长期的并发症,从而提高糖尿。

1.3.2 光声光谱法的产品 美国科罗拉多州Glu con公司利用光声光谱方法研发的个人用无创、实

时和连续血糖检测装置Aprise,2005年申请获得了美国专利[24]。2007年Weiss等[25]对Aprise进行了验证试验。62名糖尿病人通过口服耐糖、进食和注射葡萄糖的方法来验证该仪器的性能。分析了979对参考值以及该仪器的检测值。取样的平均相对误差绝对值为19 9%,Clark误差表格分析表明分别有66 5%、28 1%、1%、4 4%和0%的点落入A、B、C、D、E五个区。Clark误差表格分析是一种血糖检测精度的重要衡量标准。口服耐糖试验和进食试验的平均相对误差分别为17%和19%,要优于葡萄糖注射试验的22%。

1.3.3 关键技术问题 该方法具有灵敏度高的优点,但对组织内部结构的变化、其他化合物的干扰以及温度和压力等外部干扰非常敏感,因此对检测器的要求较高。

上述原理公式适用于稀疏介质,而对于人体这个稠密介质,当激光通过时,它对光声信号的贡献,不仅如公式所示与吸收系数有关,而且与人体组织的散射系数也有很大关系。实际上,稠密介质的光声光谱相比于吸收光谱与漫反射光谱更相似。另一方面,人体组织的散射还会一定程度地增强光声信号,因此,人体组织成分对信号的影响要特别注意。

,

sensingwithnear infraredspectroscopyenhancedbyoptical

参

[1][2]

2008.

考文献

[15][16]

measurementconditionsreproductiontechnique[J].OpticsandLasersinEngineering,2005,43(10):1096 1106.王炜,卞正中,张大龙.红外多波长无创人体血糖检测阵列模型的研究[J].生物医学工程学杂志,2003,20(4):716 719.OOMENP,KANTG,DULLAARTR,etal.Acutehyper glycemiaandhyperinsulinemiaenhancevasodilatationinType1diabetesmellituswithoutincreasingcapillarypermeabilityandinducingendothelialdysfunction[J].Microvascularre search,2002,63(1):1 9.

[17]

SIBBALDR,LANDOLTS,TOTHD.Skinanddiabetes[J].EndocrinologyandmetabolismclinicsofNorthAmerica,1996,25(2):463 472.

[18]

刘剑,刘红敏,杨 …… 此处隐藏：3899字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……