近红外血糖无创检测原理及实现研究

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1、重庆大学硕士学位论文由FutrexInc.公司研制生产的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。Dreambeam的结构如图1.3所示[7]。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

2、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[8]。图1.3DreamBeam血糖仪结构Fig.1.3StructureofDreamBeam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无论在测试数据、临床验证以及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

3、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。2000年对该仪器进行的历时一个月的验证试验，一共采集了100组数据。结41绪论果显示Diasensor和传统仪器测量结果间的平均误差大约为25%[9]。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

4、带重叠严重，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。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[10]、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。这些个体的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、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

5、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[11]。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，血糖无创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[12]。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[13]。另外，糖尿病人使用的各种药物，也会对光谱的

6、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。1.2.2反离子电渗透法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Cl−离子和Na+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。Na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

7、子葡萄糖等携带到皮肤表面[14,15（]如图1.4所示）。通过电渗透携带出的葡萄糖与人体血液中的血糖浓度具有很好的相关性，用生物传感器检测所抽取出来的葡萄糖再经过标定即可预测出人体的血糖值。研究人员对五个糖尿病患者使用这种方法进行检测实验，渗透出的葡萄糖浓度与人体5重庆大学硕士学位论文血糖浓度的相关系数为0.92，平均相对误差绝对值为13%[16]。图1.4反离子电渗透原理Fig.1.4Principleofreverseiontophoresis②反离子电渗透法的产品图1.5GlucoWatch的内部结

8、构Fig.1.5InternalstructureofGlucoWatch美国CygnusInc.公司获得美国食品及药物管理局(FoodandDrug61绪论Administration,FDA)批准生产的手表式血糖仪GlucoseWatch已经上市，但是只适用于十八岁以上的糖尿病患者，且使用前要用采血的测量进行校正。如图1.5是该仪器的内部结构图。这种仪器戴在手腕上，一只衬垫与皮肤紧贴，垫内有生物传感器。它利用电场来刺激皮肤