光学无创血糖检测方法研究进展＊

王 磊，刘贵栋，陈春睿，刘 欢

（1.东北农业大学，黑龙江 哈尔滨 150030；2.哈尔滨职业技术学院，黑龙江 哈尔滨 150081；3.哈尔滨工业大学 电气学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

糖尿病是一种严重威胁人类身体健康的代谢性疾病，其主要特征为高血糖。胰岛素的分泌缺陷或其生物作用被破坏，或两者兼有，是引起高血糖的主要原因。血糖检测对患者控制血糖有极其重要的意义，无创血糖检测具有安全、快捷、无痛苦等诸多优势，且极具发展潜力。在各类无创检测中，研究热点主要集中在检测原理、部位及对数据建模和相应处理算法等方面。由于血糖的测量方法与部位不一样，数据建模也存在一定的差异，因此，它们之间是互相影响和制约的。目前，检测主要有光学和非光学两个方向。由于光作为一种无创检测的理想信息载体有其独特的优势高速、高精密等特点，所以，该检测手段具有较好的应用前景和重要的研究意义。当前，光学检测方法包括以下几种。

1 拉曼光谱法

当一定频率的激光照射到物体表面时，一部分能量会被分子吸收并产生散射的现象，这就是拉曼效应。它适用于水溶性的透明介质样品，通过测量透射前后光的频率就可以得到所测样品的拉曼谱线。因此，可以利用这个方法对不同浓度的葡萄糖进行定量分析，以获得不同的谱线。这种方法适用的检测部位为眼前房，但眼部限制入射光的强度，无法使用较大的光强进行检测，因此，检测到的光谱信号会比较微弱。利用该方法测量水溶液生物样品具有很好的相关性，这是因为水的拉曼散射很弱。另外，谱峰清晰、尖锐是拉曼光谱的一大特点，所以，拉曼光谱法具有很好的应用前景。Enejder等[1]通过采集来自经皮的血糖值和其相应的拉曼光谱对无创检测的方法进行了较为成功的研究，采集的血糖值为标准值，拉曼光谱的数量为461个，利用最小二乘法对所采集到的数据进行整理，得到的校准平均绝对误差为（7.8±1.8）%.拉曼光谱法对血糖无创检测的可行性被此次研究结果所证明。

2 荧光法

血液中含有部分通过辐射能够在激发态发射荧光的基团[2]，这些基团所发出的荧光的波长和强度会因为血样的不同而存在明显的差异。分析此差异，可以测算不同的血样，进而获得葡糖浓度。但是，采用这种方法分析时有一定的难度，这是由于分辨率、生物适应性等问题。另外，人体血液成分复杂，导致荧光的内容复杂，因此，利用荧光对血糖进行分析得到的结果也较为复杂。凌明胜等[3]通过实验采集血清和全血样品的荧光光谱，实验中所用的样品中含有红细胞溶液和葡萄糖，利用不同浓度的样品进行实验。分析测量的全血光谱图，得到的结果是在720～730 nm附近产生了明显的荧光特征峰，改变葡萄糖浓度，血清和全血样品的荧光光谱图中的峰值强度在此位置上也发生规律性变化。进一步分析发现，血液中的血细胞造成了光谱图中的特征峰，其范围是在720 nm附近；葡萄糖造成另一个特征峰，这个特征峰发生在730 nm附近。此次实验结果为无创血糖荧光检测的发展奠定了基础。

3 光学相干层析成像法

光学相干层析成像法是主要用于研究体腔浅表组织成像的方法，这种方法是近年来才逐渐成熟的新型成像技术。目前，此技术的分辨率能够达到10 μm。采用这个方法可以间接测量血糖浓度，由于测量时直接测量的是人体真皮组织的散射系数，真皮组织中含有大量的微血管网络，微血管中的葡萄糖浓度的变化会导致散射系数的变化，所以，散射系数还会受到人体组织中其他一些成分的影响，从而改变测量结果。例如，在葡萄糖浓度不变的情况下，如果组织的折射率发生变化，则光的散射系数也会发生相应的变化，而这种现象与上述的血糖浓度与散射系数之间的相关性没有直接的联系。这一问题的出现使得此项技术的临床应用面临许多问题，还有待进一步研究。

4 光声光谱法

光声信号的幅度与吸收系数存在一定的关系，所以，可以利用此方法测量血糖。测量的方法是，将检测器放置于组织表面，由于组织内部血糖分子对光的吸收使局部的温度略微升高，由此引起快速的热膨胀，热膨胀使超声压力波，即光声信号可以被检测到。相比于之前提到的光学相干层析成像法，这种方法的优点是被干扰性小。虽然此方法发展前景比较好，可根据测量结果度推算得到真实血糖水平，但必须要改进此方法的重复性和灵敏度。目前，有研究人员对上述方法进行了改进，利用近红外激光脉冲照射样品，采集产生的光声信号。针对噪声比较高的问题，提出了一种小波阈值函数对信号进行降噪，同时，利用上平移不变式算法处理采集到的信号，处理前后的信噪比27.365 8/44.706 0，均方根、误差也得到了有效降低，光声光谱信号也更加平滑[4]。

5 近红外透射法

近红外光谱技术利用分子本身与分子之间的化学键在接收能量后会发生振动，振动具有合频和倍频。葡萄糖分子中C-H、N-H、O-H等化学键波长在700～2 500 nm近红外光谱区内的振动信息十分丰富，同时，谱线特征也会产生相应的变化。利用近红外光谱法测量血糖的方法是，先测量已知样品或受试者的葡萄糖浓度，同时获得近红外光谱，然后利用测得的数据建立与样品相匹配的数学模型，并利用该模型对葡萄糖浓度进行预测。近红外光谱法（near infrared，NIR）是目前研究取得最显著进展的方法，此方法的部分实验成果已进入在体检测实验阶段。Katsuhiko等[5]利用一组近红外发射光纤和探测光纤进行测量，测量的位置是相距患者手臂皮肤表面0.65 mm处，得到了组织中葡萄糖的近红外光谱信息，根据测得的结果对血糖值进行预测，将预测的结果与真实血糖值相对比，相关系数为0.928，标准误差为32.2 mg/L。Wolfgang等[6]为检测房水中葡萄糖的含量，提出采集透过角膜后经过前房房水反射回的近红外光来进行测量，预测的生理葡萄糖含量与实际值相差比较小。Ooi等[7]尝试用漫反射方法测量，测量的方法是使用一组特定波长的发光二极管作为发射光源测量经过漫反射后的近红外光谱信号，同时，还测量手指的温度信号，使用的建模方法是偏最小二乘法，从而实现血糖无创检测。在实际人体测量实验中，校准模型的标准误差为±13.14 mg/dL。

此外，近红外无创血糖检测的一些基础问题由相当部分的学者进行研究，这方面的研究也有一定的成果，这些研究为后续的深入研究奠定了理论基础。Kye等[8]研究了近红外光的2种测量方式，即反射测量方式和透射测量方式。哪一种更适合血糖无创检测呢？初步结果表明，采用透射测量方式取得的效果比反射测量方式更好。

［1］朱磊.无创血糖检测与胰岛素剂量控制设计与实现研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

［2］王磊，刘贵栋，刘丽，等.健康和糖尿病大鼠红细胞荧光光谱非线性程度差异［J］.光谱学与光谱分析，2016，36（10）：3028-3031.

［3］吴云江.近红外无创血糖检测关键技术的研究［D］.成都：电子科技大学，2015.

［4］陈真诚，张杨，徐北平，等.近红外无创血糖检测系统设计［J］.传感器与微系统，2016，35（5）：103-106.

［5］杨星.基于近红外透射法的血糖无创检测系统的实现［D］.重庆：重庆大学，2012.

［6］刘一飞，赵文丽，毛晓波，等.无创人体血糖光学检测技术研究与展望［J］.电子设计工程，2013（14）：35-37.

［7］Komal L.Design and Development of Infrared LED Based Non Invasive Blood Glucometer［J］.IEEE，2015.

［8］Chennai.Non-invasive tracking and monitoring glucose content using near infrared spectroscopy［J］.IEEE，2015.