基于光声光谱法的无创血糖检测原理研究＊

高丽丽，陶 卫，赵 辉

（上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

引 言

糖尿病（diabetes mellitus）是由于体内胰岛素缺乏引起的代谢紊乱性疾病或内分泌疾病，病症最初为体内血糖失控，血糖浓度的异常导致体内代谢紊乱，引起糖尿病酮症、心脑血管病、肾病、眼病等并发症［1］，以高血糖为主要特征，是一种世界范围内的流行疾病。随着生活水平的提高，糖尿病的发病率日益上升。据国际糖尿病联盟统计，20世纪90年代全球糖尿病患者约为1亿人，然而到2007年，该数字已经迅速增长到2.46亿人，预计到2025年，全球将有3.8亿人受到糖尿病的困扰。目前，中国已成为仅次于印度的糖尿病第二大国［2］。

对糖尿病患者来说，除了要有标准的生活规律外，若对糖尿病进行严密的控制对患者来说具有重大意义［3］。现有的无创血糖测试主要是通过提取光学信息来测量患者血糖浓度［4］。目前各国科学家进行研究和探索。利用光学方法检测血糖浓度的方法包括近红外光谱分析法、远红外光谱分析法、激光拉曼光谱分析法、光声光谱分析法、光散射谱分析法以及光偏振谱分析法等等［5］。

光声光谱法利用光声信号的幅度与吸收系数之间的关系检测组织内部葡萄糖成分的含量。光声法对血浆内血糖的含量具有较高的灵敏性［1，6］。凌明胜等通过对葡萄糖粉末、血清、血细胞和不同葡萄糖含量的全血溶液的光声谱分析得670nm区域峰是葡萄糖特征峰［4］，所以文中选用650nm激光作为调制光源。利用光声法原理，首先对葡萄糖粉末用不同调制频率进行激励，检测激发的声信号，得到声信号幅值和调制频率之间的关系，进而找到最大声信号对应的调制频率。在最佳调制频率的前提下，研究声信号幅值和葡萄糖水溶液浓度之间的关系。

1 整体方案图

整体方案图如图1所示。

图1 整体方案图Fig.1 The overall schematic drawing

2 激光的调制电路

激光调制电路（见图2）主要是基于信号发生器驱动电流不足，而且有反向击穿激光的危险而添加的。主要由稳压电源、三极管和电阻构成，图中发光二极管代表激光。

基极电流：

因为8050的放大倍数为252，所以激光的驱动电流大约在280mA。激光的频率和信号发生器发出的方波信号的频率是一致的。

3 声信号幅值与调制频率的关系测试

以葡萄糖为样品，用不同调制频率激光照射，在光声池内产生的光声信号通过微音器传出并通过放大后由数据采集卡采到。被采到的数据传到计算机中进行FFT变换，从得到的频谱图上可以清楚的看到各频率点处的声信号幅值。从而得到在相应各个调制频率下的光声信号幅值。

通过RG理论知声信号频率和调制激光频率一致，而且随着调制频率的增大而变小，即在低频时光声信号较强，所以实验选取1～95Hz的低频段作为研究频率并分别在各频率点上进行测试。图3是调制频率为24Hz时的幅频特性图。

图2 激光调制电路Fig.2 Laser processing circuits

从图3中可以看到几条非常明显的声信号幅值。24Hz处的y坐标是声信号的幅值0.022 74V，即22.74mV。50Hz是工频信号干扰噪声，72Hz是24Hz的谐波信号。各个频率幅频特性不再一一列举。

通过对信号发生器频率的设置分别得到不同频率的调制信号，并得到相应调制信号的声信号幅值，进而得到声信号幅值随频率改变的变化趋势如图4所示。

图3 24Hz调制频率时频谱图Fig.3 Frequency spectrogram of 24Hz as modulation frequency

图4 理论曲线与实验测量曲线图Fig.4 Theoretical curves vs experimental curves

图4是频率从1～95Hz变化时声信号幅值的变化曲线，实线是实验测量数据，虚线是理论分析曲线。由RG理论分析知随着样品热扩散长度的增加，即调制频率的减小，光声信号的频率依赖性逐渐由ω－3／2变为ω－1［7］。

由图4可知：（1）声信号随着调制频率的增加而变小。葡萄糖在光学上属于不透明固体，理论预计，当调制频率为50Hz以上时，光声信号将主要是ω－3／2的关系范围，当调制频率小于50Hz时主要是ω－1的关系［8］，而ω＝2πf，这与理论分析十分吻合。只是实验存在一定误差，数据点在理论曲线上下浮动。（2）由图可得在5Hz左右最大，通过对4～6Hz再次测量得出在5.2Hz处声信号幅值最大。由于实验所用传声器CHZ－211与YG－201前置放大器配合，低频－3dB截止频率低于3Hz，3Hz以下会有很大衰减，所以虽然从图4上看到低于3Hz声信号较小，但是未必不存在峰值。由于实验仪器的限制，故只考虑3 Hz以上的频段。

4 水溶液实验结果

浓度的单位为g／ml，其范围为0.01～0.27g／ml，人体正常血糖浓度为0.018～0.450mg／ml［9］。虽然此浓度范围与人体血糖浓度有差别，但是从原理上可以验证光声光谱法是完全可行的。实验主要目的是找出光声信号幅值和葡萄糖浓度之间存在的关系。

对不同浓度的葡萄糖水溶液分别进行检测，得出不同浓度下的光声信号幅值，以浓度0.26g／ml为例，其幅频特性见图5。

图5是浓度为0.26g／ml声信号的幅频特性，在5.2Hz处声信号幅值为0.021 61V，即21.61mV，15.6Hz处是5.2Hz的谐波分量，其他浓度不再一一赘述。通过对各个浓度的检测绘制幅值与浓度的关系图如图6所示。

由图6可知，声信号幅值和浓度之间有明显的线性关系，其相关系数为8.133。但是可看到实验数据有些离散，分布并不紧凑。若加大浓度范围其线性会更清晰，另外利用互相关算法也会减少误差使线性关系更加精确［10］。但是试验中分析其原因主要有以下几点：（1）葡萄糖粉末称重时天平读数的误差；（2）配置溶液浓度时水的体积存在误差；（3）更换溶液时，微音器会有微小的位移，光声池也会有一定的抖动，不能保证严格意义上的相对位置不变，即不能保证严格的相同实验环境；（4）浓度分布不均匀；（5）环境的偶然误差较大，来着外界的干扰也是随机的，没有完全相同的实验环境和噪声背景；（6）处理数据时也会带来一定误差。

图5 浓度为0.26g／ml时频谱图Fig.5 Frequency spectrogram of concentration at 0.26g／ml

图6 实验数据直线拟合图Fig.6 Experimental data linear fitting chart

5 结 论

由以上的分析可以认为，利用光声光谱法可以对血糖浓度进行检查，其原理是可行的。光声光谱法用于无创血糖检测的方法已经通过对葡萄糖水溶液、全血、血浆的实验得到证实［11］，而且在试管实验项目中得出葡萄糖对光声反应的敏感度并没有因为其他分析物的出现而消弱［12］，这为研制一款新型血糖检测光声谱仪提供了一定的参考价值。在无创血糖检测仪的研发项目中有着巨大潜力［11］。

实验也证实了光声法用于无创血糖检测的可行性［13］，从图中可以清晰地看到声信号随着浓度增加而变大的关系。随着光声池设计、数据处理方法、微音器及其他仪器分辨力和试验环境的发展，数据的误差会越来越小，精度越来越高。

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［3］李明菊，沙宪政，王秀章.无创性血糖的光谱检测及临床研究状况［J］.国外医学生物医学工程分册，2000，23（5）：291.

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［13］高丽丽，陶 卫，赵 辉，等.用于无创血糖检测的光声池设计与研究［J］.光学仪器，2012，34（2）：55－60.