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1、现代仪器二○○四年·第四期3近红外无创血糖测量的研究陈民森 陈文亮 杜振辉 徐可欣 蒋诚志(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室 天津 300072)摘 要 本文分析了光在手掌组织中的传播特性,以及经皮近红外无创血糖浓度测量原理。基于AOTF(声光可调谐滤波器)分光系统,构建了近红外经皮无创血糖检测系统,并利用该系统对3名健康青年志愿者进行OGTT(口服葡萄糖耐量试验)实验,得到较好的测量结果。三次实验中PLS(偏最小二乘)校正集模型的RMSEP(预测均方根误差)分别为0169mmol/L、0149mmol./L、0154mmol/
2、L。关键词 近红外 经皮的 无创血糖检测 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。目前还没有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。在各种血糖浓度测量方法中,近红外光谱无创血糖检测技术具有检测快速、无创伤、不易感染、无污染等优点,是血糖测量技术的发展趋势,也是能够真正实现糖1尿病人实时自测血糖的最佳方案。利用近红外光图1 近红外光在手掌组织中的传输示意图谱分析技术进行人体血糖浓度的无创测量,已成为表皮层的厚度约为013m
3、m左右,具体厚度随不同人当前国内外研究的热点课题。的年龄、性别等有所差别。由于手掌组织的皮肤层血液中的糖类主要是葡萄糖,简称血糖。其分较厚,而测量所用近红外光源能量相对较弱,因此,子式为C6H12O6,包含有多个羟基(O—H)和甲基光子进入皮下脂肪组织和肌肉层的概率很低。近红(C—H),均是能够在近红外光谱区产生吸收的主外光在手掌组织内的传输特性(见图1)。I0光射入要含氢官能团,从而为利用近红外光谱测定葡萄糖手掌组织,忽略光在皮下组织层中的传递,则经手提供了理论基础。皮肤和大多数组织一样,以葡萄掌表面出射的光实际由3部分组成:入射光在
4、手掌糖和脂肪作为能源物质。尤其在真皮乳头层中含有表面的镜面反射光I1,直接由表皮层扩散反射出的丰富的血管丛,通过分析经过真皮的近红外光谱特光I2,达到真皮层后扩散反射出的光I3。征来测量血糖浓度,被认为是一种可行的血糖浓度由于表皮层内不含有血管,皮肤组织中的血管测量方法。近年来,近红外经皮漫反射光谱测量血2都分布在真皮层中,因此,在经皮测量血糖浓度糖浓度检测技术得到了较好的发展。时,只需要分析经过真皮后扩散反射出来的光谱l3本文构建了近红外光谱无创血糖检测系统,以下即可。设某一波长入射光在手掌组织内传输的光手掌作为测量部位,对真皮内的血
5、糖浓度进行测量程长为lλ,则其扩散反射光的表达式为:研究。-μ(λ)lI3(λ)=I0(λ)eeffλ(1)1 经皮漫反射光谱无创血糖测量原理-1μeff(λ)为该波长光的有效衰减系数(mm)111 手掌组织的光学特性μeff=μeff-epi+μeff-derm(2)3手掌组织具有明显的分层结构特性,由表皮μeff-epi=3μs-epi[μa-epi+Us-epi(1-gepi)](3)层、真皮层、皮下组织层和肌肉层组成。其中,皮μeff-derm=3μs-derm[μa-derm+μs-derm(1-gderm)]肤(包括表皮层和
6、真皮层)的全层厚度约为4mm,(4)项目基金:国家自然科学基金(30170261)38二○○四年·第四期研制与开发4式中,μeff-epi、μeff-derm分别为表皮层和真皮层的最小二乘)算法。使用完全交互验证法对校正数衰减系数,μa-epi、μa-derm分别为表皮层和真皮层的学模型进行评价,主要评价参数为相关系数R和吸收系数,μs2epi、μs2derm分别为表皮层和真皮层的预测集样本的标准偏差RMSEP。散射系数,gepi、gderm分别为表皮层和真皮层的各向n2Σ(^Ci-Ci)异性因子。i=1R=n—(9)2在真皮层中,血液
7、是影响光子吸收和散射的主Σ(^Ci-Ci)i=1要因素。而对于血糖而言,由于葡萄糖分子结构中n2Σ(^Ci-Ci)的羟基(O—H)和甲基(C—H)是能够在近红外RMSEP=i=1(10)n-1光谱区产生吸收的主要含氢官能团,因此,血糖浓式中,n为建模用的样本数,Ci为标准方法测度的大小直接影响到μa2derm的大小。则由(1)、定得到的血糖浓度值,^Ci为通过光谱测量及数学模型(2)、(4)可以得出,经真皮后的扩散反射光强I3—将随血糖浓度的改变发生相应的变化。预测得到的血糖浓度值,^Ci为^Ci的平均值。112 血糖浓度测量原理2 近
8、红外经皮漫反射光谱测量系统由111中分析可知,经真皮后的扩散反射光强本文中的光谱测量系统采用100W钨灯作为近I3与血糖浓度值之间存在一定的相关,根据其相关红外光源;分光元件为AOTF(声光可调谐滤波器)特
