光學(xué)無(wú)創(chuàng)血糖濃度檢測(cè)技術(shù)

光學(xué)血糖濃度檢測(cè)通常是將一束光聚焦在人體上，利用傳輸光的強(qiáng)度、相位、偏振角、頻率以及靶區(qū)組織散射系數(shù)等信息都與血糖濃度密切相關(guān)的特點(diǎn)，通過(guò)分析這些信息的改變，即可問(wèn)接測(cè)得血糖濃度。近年來(lái)，世界各國(guó)研究人員付出極大努力，嘗試通過(guò)光學(xué)方法得到盡可能準(zhǔn)確的血糖濃度值。目前常見(jiàn)的檢測(cè)方法有偏振光旋光法、光學(xué)相干斷層成像法、近紅外光譜法、中紅外光譜法、拉曼光譜法、熒光光譜法、光聲光譜法、基于超聲調(diào)制的光信號(hào)技術(shù)等。

1 偏振光旋光法

葡萄糖是一種光學(xué)活性物質(zhì)，具有穩(wěn)定的偏光特性。當(dāng)光穿過(guò)葡萄糖時(shí)，偏振平面會(huì)偏轉(zhuǎn)一定的角度，這一特性與葡萄糖濃度相關(guān)聯(lián)，可以用來(lái)預(yù)測(cè)血糖濃度。圖 1.1 為旋光法示意圖。分子對(duì)左旋和右旋偏振光的折射率各不同，使用偏振光照射樣品，通過(guò)光經(jīng)過(guò)樣品后光偏振方向的變化可以間接測(cè)量待測(cè)樣品的濃度。旋光度可由公式(1.1)表示

(1.1)

式中為波長(zhǎng)為下的旋光系數(shù)，l為光程，c為溶液濃度。通過(guò)檢測(cè)特定波長(zhǎng)偏振光經(jīng)人體組織后的旋光度，可以計(jì)算組織中葡萄糖的含量。

2 光學(xué)相干斷層成像法

光學(xué)相干斷層成像(Optical Coherence Tomography，OCT)技術(shù)。測(cè)量系統(tǒng)主要由邁克爾遜干涉儀組成，目前常用的是光纖式邁克爾遜干涉儀，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。光從寬帶光源出射后，由耦合器分為兩路：一路進(jìn)入?yún)⒖急塾煞瓷溏R返回，另一路進(jìn)入樣品臂入射到樣品組織上，經(jīng)后向散射返回。當(dāng)樣品臂與參考臂長(zhǎng)度一致時(shí)，兩束光到達(dá)耦合器后發(fā)生干涉。調(diào)整反射鏡在參考臂上的位置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)樣品不同深度的探測(cè)。改變參考臂的長(zhǎng)度，沿樣品深度方向進(jìn)行一次完整的掃描即為一個(gè)A.scan。干涉信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后傳人計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，便可得到組織內(nèi)部圖像。

圖2.1 光纖干涉測(cè)量示意圖

根據(jù)Lambert-Beer定律，組織內(nèi)部的光衰減為指數(shù)衰減，根據(jù)特定組織層中的光衰減斜率，可計(jì)算出彈道光子衰減系數(shù)。該指數(shù)衰減斜率與彈道光子總衰減系數(shù)( , 為總的衰減系數(shù)，散射系數(shù)，為吸收系數(shù))成比例，在近紅外波段，皮膚等大多數(shù)生物組織的散射系數(shù)顯著大于吸收系數(shù)，故光衰減斜率與組織散射系數(shù)成比例。血糖濃度的改變會(huì)導(dǎo)致特定組織層散射系數(shù)發(fā)生變化，因此，分析皮膚等組織中OCT信號(hào)斜率的變化，即可預(yù)測(cè)血糖濃度。

3 近紅外光譜法

近紅外光(750～2500 nm)譜分析的理論依據(jù)是Lambert-Beer定律：溶液吸收或透過(guò)的光強(qiáng)是溶液中吸收物質(zhì)濃度與光通過(guò)樣品光程長(zhǎng)的指數(shù)函數(shù)，即：

??????? （3.1）

由此推導(dǎo)出：

????????? （3.2）

式中，為入射光強(qiáng)，為出射光強(qiáng)，c為溶液濃度，b為光程長(zhǎng)，為消光系數(shù)。

紅外光譜法原理如圖2所示。光照射到身體某一部位來(lái)估計(jì)深度為ｌ-１００ｍｍ 組織內(nèi)的血糖濃度，被吸收、散射，葡萄糖與體內(nèi)其它成分對(duì)不同波長(zhǎng)近紅外光的吸收與散射強(qiáng)度不同，用不同波長(zhǎng)光照射組織，測(cè)量光的吸收與散射光譜，以Lambert-Beer定律為基礎(chǔ)，利用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法進(jìn)行分析，即可得到血糖濃度。近紅外光譜法一般選擇舌、唇、耳垂等血管豐富且皮膚較薄的部位進(jìn)行測(cè)量

?

圖3.1 紅外光譜法原理示意圖

目前，近紅外光吸收、散射等理論已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)分析中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)葡萄糖溶液、血清溶液等糖濃度的預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)也得到較高的測(cè)量精度。近紅外光較大的穿透深度和較強(qiáng)的光譜特性也使其能夠應(yīng)用于人體無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)，但血液中其它物質(zhì)、人體組織背景以及體溫變化、測(cè)量時(shí)接觸壓力等的干擾都會(huì)影響紅外光譜，進(jìn)而影響校正模型準(zhǔn)確性與測(cè)量精度，最終導(dǎo)致測(cè)量穩(wěn)定性低、可重復(fù)性差。如何排除干擾、獲取高質(zhì)量的有效信號(hào)，是未來(lái)研究中亟需解決的問(wèn)題

人體血液中的糖類(lèi)主要由葡萄糖構(gòu)成，其化學(xué)分子式為，包含多個(gè)能被近紅外光吸收的羥基 O-H和甲基 C-H官能團(tuán)。由葡萄糖分子的近紅外光譜特征分析中知道葡萄糖分子在 900~1200nm 對(duì)紅外光有二階倍頻吸收，在1400~1800nm 對(duì)紅外光有一階倍頻吸收；水的強(qiáng)吸收區(qū)域是 1440~1470nm 和960nm 。由于組織中的其他成分（血紅蛋白、水等）也包含能夠被近紅外光吸收的含氫基團(tuán)，因而首先需避開(kāi)水分子的吸收區(qū)域。可以發(fā)現(xiàn)在葡萄糖分子1400~1800nm 可吸收范圍內(nèi)，只有在 1440~1470nm 波長(zhǎng)區(qū)間水分子存在強(qiáng)吸收峰值，而此區(qū)域蛋白質(zhì)與脂肪都不存在吸收峰。可以初步選擇 1500~1700nm 作為檢測(cè)波長(zhǎng)范圍

表3.1 血液與組織液各物質(zhì)的紅外吸收峰值

4 中紅外光譜法

中紅外光譜是指波長(zhǎng)在 2500nm-10000nm 范圍內(nèi)的光譜，它利用與近紅外光譜相同的物理原理進(jìn)行血糖濃度檢測(cè)。中紅外光譜帶寬較寬且其強(qiáng)度較弱，由于水分和其他血液成分的吸收，中紅外光譜帶的穿透性較差，因?yàn)樵谌梭w皮膚情形下，光只能穿透幾微米內(nèi)的 皮膚。通常只有在血液分析中采用衰減全反射方法時(shí)才能使用中紅外光譜法。

5 熒光光譜法

血液中含有大量能發(fā)射熒光的基團(tuán)，這些熒光基團(tuán)可以通過(guò)光源的激發(fā)而產(chǎn)生熒光。當(dāng)采用特定頻率的紫外光照射到生物組織上時(shí)，組織的吸收會(huì)激發(fā)特定波長(zhǎng)的熒光。由于熒光光譜與激發(fā)光源的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，只與熒光物質(zhì)本身的特性相關(guān)，因此可以利用熒光光譜對(duì)血糖濃度進(jìn)行定量分析圖5.1 為葡萄糖熒光圖。當(dāng)波長(zhǎng)為 308nm 的紫外光照射葡萄糖溶液時(shí)，會(huì)激發(fā)光波長(zhǎng)分別為 340nm、380nm和 400nm 的熒光，波長(zhǎng)為 380nm 的光光強(qiáng)最大，且熒光光譜的強(qiáng)度與葡萄糖溶液的濃度相關(guān)。

熒光光譜法用于血糖濃度檢測(cè)具有一定的可行性，但血液中熒光物質(zhì)的豐富性也造成血糖濃度分析的復(fù)雜性，而且皮膚顏色和表皮層厚度也會(huì)對(duì)熒光光譜產(chǎn)生影響。

圖5.1 為葡萄糖熒光圖

6光聲光譜法

光聲光譜法（Photoacoustic spectroscopy）基于光致超聲現(xiàn)象與熱彈性機(jī)制，其原理是：用一束脈寬滿足熱限制 (~us)與壓力限制(~100ns)的短脈沖激光照射到組織體中,組織體吸收光能量引起溫升與熱彈性膨脹,擠壓周?chē)慕M織體,從而產(chǎn)生外傳的本地超聲壓力波,即光致超聲波 。壓力波峰峰值與血糖濃度相關(guān)，據(jù)此可測(cè)得血糖濃度。

光聲光譜法常見(jiàn)的測(cè)量系統(tǒng)如圖6.1所示，將激光聚焦到樣本上，由壓電換能器檢測(cè)產(chǎn)生的熱彈性聲波，使用數(shù)字示波器放大并記錄光聲信號(hào)，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于水具有較弱的光聲響應(yīng)，與傳統(tǒng)的光譜法相比，光聲光譜法法具有更高的靈敏性，且可采用波長(zhǎng)范圍從紫外波段到近紅外波段的激光作為光源。但是，此方法對(duì)接觸壓力和溫度等環(huán)境因素的變化非常敏感，也會(huì)受背景噪聲和生物組織內(nèi)其他化學(xué)成分的干擾。

圖6.1 光聲光譜法系統(tǒng)示意圖

7 拉曼光譜法

拉曼光譜法的檢測(cè)原理為當(dāng)光照射到透明物體時(shí)，被分子散射的光頻率會(huì)發(fā)生改變，散射光表現(xiàn)出不同的波長(zhǎng)，這種現(xiàn)象叫做拉曼效應(yīng)。拉曼光譜分析法通過(guò)測(cè)量入射光頻率與散射光頻率的差異，也就是拉曼位移，來(lái)分析分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，再與葡萄糖分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到對(duì)血糖濃度進(jìn)行定量分析的目的，拉曼光譜位能圖如圖 1-9 所示。

圖7.1 拉曼光譜能級(jí)圖

拉曼光譜法有兩方面優(yōu)勢(shì)：一是水的拉曼散射很弱，故該方法適用于生物樣品水溶液檢測(cè)；二是光譜譜峰清晰尖銳，易于分析處理。拉曼光譜法的主要局限是葡萄糖的拉曼散射信號(hào)非常微弱，容易受到干擾，且利用拉曼光譜高精度定量分析葡萄糖溶液濃度時(shí)，必須考慮光譜重疊問(wèn)題，因此光譜數(shù)據(jù)的處理與校正算法的選取非常重要。

8 對(duì)比總結(jié)

光學(xué)無(wú)創(chuàng)血糖檢技術(shù)在降低檢測(cè)成本、減少患者采血痛苦、提高糖尿病患者生存質(zhì)量方面具有重要意義，目前相關(guān)研究表明，實(shí)現(xiàn)臨床意義上的光學(xué)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)是可行的。除測(cè)量精度高以外，未來(lái)真正適用于個(gè)人血糖監(jiān)測(cè)的無(wú)創(chuàng)血糖儀還應(yīng)具備以下特點(diǎn)：(1)攜帶方便；(2)測(cè)量迅速；(3)副作用較小；(4)成本較低。回顧幾十年來(lái)光學(xué)無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是理論研究，還是相關(guān)實(shí)驗(yàn)，成果都頗豐，但要真正實(shí)現(xiàn)其臨床應(yīng)用并制成便攜的無(wú)創(chuàng)血糖儀，任重道遠(yuǎn)。不同的方法的優(yōu)缺點(diǎn)不同，集中常見(jiàn)的光學(xué)無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)方法比較如下表8.1所示。

表8.1 幾種光學(xué)無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)的比較