無創血糖檢測現狀及問題研究

摘要：無創血糖檢測技術具有無疼痛、無感染、測量簡單、測量速度快等優點，能有效地滿足糖尿病人實時、頻繁檢測血糖濃度的需要，是血糖檢測技術發展的方向。本文介紹了現階段人體無創血糖檢測各種技術的原理、特點及研究進展，分析了現階段無創血糖檢測中存在的問題。

關鍵詞：血糖濃度；無創；光學檢測

一、前言

糖尿?。╠iabetes mellitus）是一種體內胰島素相對或絕對不足及靶細胞對胰島素敏感性降低，或胰島素本身存在結構上的缺陷而引起的碳水化合物、脂肪和蛋白質代謝紊亂的一種慢性疾病，其主要特點是高血糖、糖尿[1-2]。

根據國際糖尿病聯合會（ IDF：International Diabetes Federation ）提供的數據，目前糖尿病影響著世界范圍內的2.46億人民，預計到2025年這個數目將增至3.8億[3-4]。我國糖尿病患者人數將從現有的5000多萬升至接近1億，成為僅次于印度的糖尿病患者第二多的國家。糖尿病的泛濫對人類、社會和經濟有著破壞性的影響。在美國，每年用于和糖尿病有關的直接及間接費用之和接近1，000億美元。據世界衛生組織估計，在隨后的10年內，糖尿病、心臟病和中風一起將耗損我國國民收入約5557 億美元。糖尿病發生后，引起糖、蛋白質、脂肪和電解質等一系列代謝紊亂，進而導致各種嚴重的并發癥[5]，包括糖尿病性心腦血管病、糖尿病性腎病、糖尿病性眼病、糖尿病性神經病變等。血糖濃度是反映糖尿病病情狀況的一個重要指標，頻繁地進行血糖測量可隨時把握病情變化，提前采取預防措施。且多項研究結果表明，嚴格控制血糖對糖尿病患者而言是非常重要的。同時在家用的醫療器械中，通過血糖儀對血糖進行檢測，患者可以根據檢測結果來了解血糖的濃度，同時多次的測量也可以判斷患者的血糖波動，從而及時發現異常情況，還可作為調整藥物治療的依據。

二、血糖儀原理

目前血糖儀的原理主要分兩種：電化學[6]和光化學原理[7]。電化學法是指直接測試血糖試條反應區產生的微電流；光化學法測試血糖試條吸光度的變化值，其試條加樣區必須直接接觸光孔，從而可能導致對光孔的污染，因而，光化學法的血糖儀必須經常清潔光孔，否則污染后將導致測試結果的偏差。兩者對比之下，可以發現一些區別：一，測試原理：電化學，血液和試劑產生反應，測定產生的電子數；光化學，血液和試劑產生反應，測定吸光度的變化。二，采取血樣：電化學，虹吸式，自動吸血，需血量少；光化學，抹血式，需血量較大。

三、國外研究現狀

目前無創血糖檢測方法主要有近紅外光譜分析法[8]、中紅外光譜分析法[9]、激光拉曼光譜分析法[10]、聲光譜分析法[11]、光散射譜分析法[12]、光偏振譜分析法[13]，微波檢測法以及唾液檢測法等等。

在20世紀70年代， Kaiser 就開始了應用光學方法進行人體內化學成份測量的嘗試。1987年， Dahne 首次提出了應用近紅外分光法進行人體血糖濃度的無創傷測量，并申請了美國專利，標志著近紅外光譜分析技術正式進入人體血糖濃度無創檢測領域。1992 年， 美國Futrex公司在 Oak-Ridge 會議上首次展出了基于近紅外透射光的無創血糖檢測樣機 Dream Beam. 美國 Biocontrol Technology 公司于 1995年推出了基于擴散漫反射光的無創血糖儀 Diasensor 1000， 并獲得歐洲的 CE許可。德克薩斯州AM大學的Mihcael.Mcshane等人在近紅外無創血糖數據處理的試驗中，在2000nm-2500nm波段，采用逐步選擇的方法來確定校正模型的建模波長，依據最小二乘法建立校正模型，實驗結果比較理想。日本科學家提出的代謝熱整合法[16] ，應用溫度、血流等參數綜合計算血糖值的無創檢測方法， 并研制了相應的樣機。該方法具有一定的新穎性，但依舊存在不小的誤差，同時測量對周圍環境要求較高[16]。

四、國內研究現狀

國內這方面研究起步較晚，處于初步階段。1991年，莫希[17]等人根據光譜測量法建立了無創、連續血糖檢測的數理模型。2002年，黃嵐[18]等人根據近紅外漫反射光譜技術，應用傅里葉變換光譜儀進行血糖無創定量檢測，證明近紅外漫反射技術可以用于無創定量檢測血糖濃度。2006年，崔厚欣[19]等人研究了溫度對無創血糖檢測的影響，并采用聲光可調濾光器建立了檢測系統。李剛[20]等提出的動態光譜法利用了動脈充盈程度對吸光度的影響來測量血糖濃度，直接提取反映血液成分的光譜信息，消除了個體差異。張志勇[21]等在驗證了動態光譜可靠性的基礎上，利用動態光譜指端透射法進行了人體血紅蛋白無創檢測的研究，得到預測相關系數為0.9365，最大預測誤差為7.5，由此可見動態光譜法在無創血糖檢測上是可行的。天津大學的徐可欣[9]教授課題組經過多年的研究開發，研制出了近紅外光譜無創血糖檢測樣機，驗證了無創血糖檢測的可行性。

五、現存問題

由于人體組織的光學特性十分復雜，而且近紅外光穿過動態變化的人體組織時存在非線性散射，這使得提取血糖信號十分困難[9]。同時人體正常情況下血糖含量比較低導致的血糖濃度變化的信號相當微弱，也難以測量。此外，血糖測量過程中涉及了組織光學、光譜學、信號處理、生物醫學等多個學科的交叉，這也使得利用近紅外光來檢測血糖濃度時的精度不高。歸納起來，目前近紅外光無創血糖檢測必須要考慮這幾個方面的問題：

（一）干擾復雜?；铙w測量時，人體的自身生理變化的改變對利用近紅外光譜來檢測血糖的影響非常大。只有在進一步分析測量過程所遇到的問題，并給出合理的解決方案才能夠提高人體血糖濃度無創檢測的精度。

（二）測量個體和部位的差異性。人體的不同部位會有著不同的情況，比如皮膚的厚度，皮膚的透光性，皮膚內部血管的分布，而這些都會增加近紅外光檢測血糖時的難度，所以要想有效地來提取血液中血糖濃度的信息，必須從醫學和生物光學等多個角度來出發，了解不同測量部位的內部組織結構及血糖分布情況的基礎上，同時了解光人體內部的傳播方式，提出合理的檢測方式，能夠更加有效合理地提取血糖濃度信息，提高血糖檢測的信噪比[9]。

（三）時變性。由于人體是在不斷地進行新陳代謝，所以人體的狀態每時每刻都在發生變化，再加上生理周期或者情緒波動使得人體組織中各物質的含量也不斷變化，這就是人體的時變性。同時因為時變性涉及多方面的因素，所以就目前的科技水平而言，人們還無法對這些因素進行實時監測，所以現階段的檢測無法消除時變性這一因素。因此尋找一種相對基準是目前解決時變性問題較為可行的方法[22]。

六、解決辦法

針對有效信號微弱，干擾嚴重等問題，可以通過對硬件系統的改進以及雙光路設計等措施來消除光源、檢測器噪聲和基線漂移等的影響；對于環境溫度、濕度等引起的噪聲，可以通過人為控制來盡量保持恒定的環境；而對于接觸壓力、位置差異等來自人機接口的誤差，可以通過采用包含壓力分析子系統和圖像定位系統的光學測量條件重現系統，保證實驗對象在每次測量時都處于相同的測量位置和壓力；而對于來自人體內部的生理背景變化，由于其變化本身具有不可預測性，且與葡萄糖濃度都具有時變特性，因此很容易與糖的信號產生偶然相關，是目前血糖無創檢測中最大的障礙。針對這種問題，徐可欣等人提出了一種基于浮動基準的檢測技術，該方法能有效消除測量中的生理背景噪聲，從而使得檢測精度大為提高。該技術的完善將為提高血糖檢測精度提供新方法，從實質上推動無創檢測技術的臨床應用[22]。

此外，數據處理方法應該受到極大的關注，利用這些方法不但可以消除不必要的漂移，而且可以降低溫度的影響，提高信噪比。

七、發展前景

無創血糖檢測儀器將完全消除糖尿病病人血糖檢測造成的痛苦，對進一步有效控制患者的血糖有著至關重要的作用；同時為人們的身體健康檢測提供了方便、易行的儀器，使大量的糖尿病前期患者能被及時、盡早發現，早作預防，大大提高老百姓的身體健康水平。成功投產后可為現在的醫療機構提供一個良好的醫療器械工具，可能產生一個新興的產業，具有很好的社會效益與經濟效益。

在現有的條件下，無創血糖儀的設計尚未達到成熟階段，但是隨著科技的發展和社會的進步，我們有理由相信更好的、更加先進的無創血糖檢測儀會應運而生，為糖尿病患者造福。

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