（测试计量技术及仪器专业论文）应用于近红外无创血糖测量的浮动基准位置的基础研究.pdf

摘要 利用近红外光谱法进行人体血糖无创检测具有测量快速、无创伤、无痛等优 点，对于治疗糖尿病以及提高糖尿病患者的生活质量具有重要的意义。但由于受 到生理背景等因素变化的干扰，其测量精度尚无法达到临床应用的要求。浮动基 准检测技术是解决背景干扰问题的有效方案之一。本文针对浮动基准检测技术中 的关键因素基准位置的特性进行了研究。 论文首先基于漫射传输方程，理论推导了对葡萄糖浓度变化不敏感的漫反射 光的径向检测基准位置的存在条件，并计算得到不同波长下的基准位置曲线。进 一步采用蒙特卡罗模拟算法，分别基于i n t r a l i p i d 溶液和皮肤模型，模拟计算了 样品在不同葡萄糖浓度和波长下的漫反射光径向空间分布规律，结果表明：存在 葡萄糖测量的径向检测基准位置，且该基准距离的大小与波长相关。 基于i n t r a l i p i d 样品，模拟研究了光学参数变化对于基准位置的影响规律。 背景样品的吸收系数、散射系数和各向异性因子分别改变时的模拟结果表明：基 准位置与光源之间的径向距离随着散射系数的增大而减小，随着各向异性因子的 增大而增大，但不随吸收系数的变化而改变。当固定2 的取值时，基准位置不 随散射系数的变化而改变。当改变i n t r a l i p i d 母液浓度时，葡萄糖的基准位置随 着i n t r a l i p i d 溶液的浓度增加而偏向光源方向。 构建漫反射光径向空间检测实验装置，利用2 i n t r a l i p i d 溶液实验分析了漫 反射光随葡萄糖浓度的变化规律。实验结果表明，在径向检测空间存在漫反射光 对葡萄糖浓度变化不敏感的基准位置，且其特性与模拟结果致。在上述研究的 基础上，设计了可应用于浮动基准检测实验的光学测头，为下一步的研究提供了 实验条件。 关键词：基准位置光学参数无创血糖检测蒙特卡罗近红外光谱 a b s t r a c t n o n - i n v a s i v eb l o o dg l u c o s es e n s i n gb yn e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p yw i t ht h ep r i o r i t yo f c e l e r i t y , n o n i n v a s i v e n e s sa n dp a i n l e s sh a sag r e a tm e a n i n gt ot h el i f eq u a l i t yo f d i a b e t i ca n dd i a b e t e sc u r i n g h o w e v e r , t h ed e t e c t i o nd e c i s i o nh a sn o tr e a c h e dt h e c r i t e r i o nf o rc l i n i ca p p l i c a t i o ny e tb e c a u s eo ft h ei n t e r f e r e n c eo fs e v e r a lf a c t o r ss u c h a sv a r i a t i o no fp h y s i o l o g yb a c k g r o u n d t h ef l o a t i n gr e f e r e n c ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yi s o n eo ft h ee f f e c t i v ea p p r o a c h e st ow o r ko u tt h e p r o b l e mo fi n t e r f e r e n c e t h e c h a r a c t e r i s t i co fr e f e r e n c el o c a t i o nw h i c hi st h ek e yf a c t o ro ff l o a t i n gr e f e r e n c e d e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r t h ee x i s t e n c e c o n d i t i o no fr a d i a lr e f e r e n c el o c a t i o nw h e r et h ed i f f u s er e f l e c t a n c el i g h t i sn o ts e n s i t i v et ot h ev a r i a t i o no fg l u c o s ec o n c e n t r a t i o nh a sb e e nd e d u c t e di nt h e o r y a n dt h ec u r v e so fr e f e r e n c el o c a t i o na td i f f e r e n tw a v e l e n g t hh a v eb e e nc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ob o l t z m a n nd i f f u s et r a n s m i s s i o nf o r m u l aa tf i r s t t h e nt h ed i s t r i b u t i o n r u l eo fd i f f u s er e f l e c t a n c ef i g h tw i t hd i f f e r e n t g l u c o s ec o n c e n t r a t i o na sw e l l a s d i f f e r e n tw a v e l e n g t hi nr a d i a ls p a c eh a sb e e nc a l c u l a t e di ni n t r a l i p i da n ds k i nm o d e l b ym o n t ec a r l os i m u l a t i o na r i t h m e t i c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er a d i a ld e t e c t i o n r e f e r e n c el o c a t i o nr e a l l ye x i s t sf o rg l u c o s em e a s u r e m e n ta n dt h er e f e r e n c ed i s t a n c e v a r i e sa c c o r d i n gt ow a v e l e n g t h t h ei n f l u e n c er u l eo nr e f e r e n c el o c a t i o nw i t hd i f f e r e n to p t i c a lp a r a m e t e r sh a sb e e n s t u d i e db ym c m lb a s e do n i n t r a l i p i d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er a d i a ld i s t a n c e b e t w e e nr e f e r e n c el o c a t i o na n dl i g h ts o u r c es h o r t e n sa st h ev a l u eo f 2 si n c r e a s e so r t h ev a l u eo f gd e c r e a s e sb u tn o tc h a n g eo b v i o u s l ya s 。v a r i e su n d e rt h ec o n d i t i o no f c h a n g i n g 化，段a n dgs e p a r a t e l y t h er e f e r e n c el o c a t i o nd o n tv a r ya s 2 sc h a n g e s i f t h ev a l u eo f2 ti ss e t t l e da n di tm o v e st ot h el i g h ts o u r c ew h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f i n t r a l i p i dr e s o l u t i o ni n c r e a s e s t h er u l eo fd i f f u s er e f l e c t a n c el i g h tv a r y i n ga sg l u c o s ec o n c e n t r a t i o ni sa n a l y z e di n 2 i n t r a l i p i db yt h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e su s e df o rd i f f u s er e f l e c t a n c el i g h td e t e c t i o n i nr a d i a ls p a c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e f e r e n c el o c a t i o nw h e r et h ed i f f u s e r e f l e c t a n c el i g h ti sn o ts e n s i t i v et ot h eg l u c o s ec o n c e n t r a t i o nd o e se x i s ti nt h er a d i a l d e t e c t i o ns p a c ea n di t sc h a r a c t e r i s t i ci sc o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s o nt h e b a s i so ft h a t ，t h eo p t i c a lp r o b ei sd e s i g n e df o rt h e f l o a t i n gr e f e r e n c ed e t e c t i o n e x p e r i m e n ti no r d e rt op r o v i d ec o n d i t i o nt on e x ti n v e s t i g a t i o n k e y w o r d s ：f l o a t i n g r e f e r e n c el o c a t i o n , o p t i c a lp a r a m e t e r s ，n o n i n v a s i v e g l u c o s em e a s u r e m e n t ，m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ，n e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 2 鲫g 年孑月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 榍赵己 导师签名： 签字日期：2 印矿年 8 月2 7 日 签字日期：2 们g 年矽月2 了日 第一章绪论 第一章绪论 随着糖尿病发病率的提高，血糖浓度测量受到了越来越多的重视。国际上众 多科研机构都开展了无创血糖检测的研究，检测方法也多种多样。在家庭环境中 进行血糖监测是病人自我控制的重要手段和方法，在国内外市场上有不少用于自 我监测的仪器，如美国强生l i f e s c a n 的o n e t o u c h 、德国的a c c u c h e k i n s t a n t 和罗 氏诊断公司的g l u c t r e n d 血糖仪等，然而这些仪器在精度和稳定性上均存在一定 的争议，并且没有改变有创的采样方法。因此，高精度无创血糖监测仪器的研究有 着广阔的应用前景。其中在无创血糖的测量方法中，近红外光谱方法由于其快速、 便捷等特点得到了广泛的关注，被寄予很高的期望。 本课题组在国家部委及天津市各级科技部门的支持下，开展了很多研究工 作。本章从糖尿病的危害性来阐述血糖浓度无创伤检测的重要意义，并对现有的 血糖浓度无创伤检测技术和研究进展加以概述，在分析现阶段实现近红外光谱血 糖检测的主要困难的基础上，提出本论文的研究目标和研究任务，最后对本文的 结构安排做简单的介绍。 1 1 人体血糖浓度无创伤检测的意义 糖尿病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。糖尿病 的病症最初为血糖失控，血糖浓度的异常导致体内代谢紊乱，易引起糖尿病酮症、 心脑血管病变、肾病、眼病和感染等严重并发症。糖尿病已经成为危害世界人类 健康并导致死亡的最主要疾病。 随着人口老龄化的趋势及人们饮食结构的变化，全世界糖尿病患者的数量正 逐年增加。据报道，1 9 9 7 年全世界的糖尿病患者超过1 2 亿，到2 0 1 0 年将会增 长到2 2 亿以上。根据2 0 0 2 年世界卫生组织的预测，到2 0 2 5 年全世界的糖尿病 患者将达到3 0 亿【l 】。目前，在发达国家，如美国，据报道现已有2 0 0 0 万以上的 糖尿病患者，在日本也已有6 9 0 万的糖尿病患者。我国的糖尿病患者今年也在迅 速增加，据沈阳和北京两地统计，近1 9 8 0 年至1 9 8 9 年十年间，患病率就己从 1 2 1 上升到2 3 5 2 9 3 ，粗略估计目前全国已超过5 0 0 0 万人。根据w h o 在日 内瓦发布的公告【2 】，2 0 0 0 年全球死于糖尿病的有4 4 0 万人，仅印度、中国就达 1 0 0 万。糖尿病及其并发症已成为严重威胁人民健康甚至生命安全的全球性疑难 第一章绪论 病症。如此庞大的糖尿病人群不仅给患者及家庭带来了痛苦，而且也给国家和社 会带来了沉重的负担，因此预防和治疗糖尿病具有十分积极的意义。 目前，频繁、精确的监测血糖浓度是目前还没彻底根治糖尿病之际的无奈选 择。在治疗方法中有效的做法是频繁地监测患者的血糖浓度，并以此为依据，精 确、及时地调整口服降糖药物和胰岛素的用量，将血糖浓度控制在适当的范围内， 预防糖尿病并发症。因此实现血糖浓度值的精确测量，随时掌握体内血糖变化情 况，这对于治疗糖尿病以及预防糖尿病的并发症具有重大意义。 目前采用的血糖浓度测量方法按仪器的类型可分为自动生化分析仪测量法 3 - 4 和快速血糖仪测量法 s - s 。前者需要从静脉取血，对血液离心处理得到血清后， 利用生化方法测量其葡萄糖浓度。该测量方法测量精度高，也是其它测量方法的 校准基础。但仪器体积较大，测量需血量较大，约为2 3 m l ，且测量时间较长， 只能在医院生化检验室使用。近年来，随着检测方法的进步、治疗的需要，快速 血糖测量仪具有体积小、携带方便、操作简便、获得结果快等优点。其测量血样 为全血，通常采用针刺法从指尖取血0 1 1 0 ，由血糖仪上的一次性试纸条通 过虹吸作用吸入血样，短时间内显示出测量结果。这两种仪器都为有创测量，因 此频繁测量也意味着要在患者身上频繁地针刺取血，容易引起患者的生理疼痛和 心理恐惧，并伴有被感染的危险。有创测量法的缺点限制了血糖测定的频率，直 接影响了血糖浓度波动曲线的绘制和药物计量的精确调节。实际上，大多数糖尿 病患者并不能真正实现医学上所希望的血糖浓度的频繁监测，因而难以得到医学 上较为理想和及时的治疗。 因此，研制一种无创伤血糖浓度测量方法对于减轻糖尿病患者的痛苦，改善 现行用药方式，精确控制血糖具有非常现实的意义。同时，无创伤血糖检测方法 的建立，还可以推广应用于生物体其它成分的无创性检测，有助于加强人们的日 常健康管理，提高生活质量。 1 2 血糖浓度无创伤测量的方法概述及研究进展 当今血糖浓度无创检测方法有很多，包括阻抗法【9 1 ，电化学方法【l ，超声技 术i h 2 ，光学方法 1 3 - 2 9 1 等等。相对于其它方法，光学方法具有快速、无创伤、信 息多维化等特点，成为了目前无创伤血糖测量的主要手段。用来检测糖浓度的光 信息包括光速、位相、强度、频率、偏振角等，应用这些信息相应的产生了近红 外光谱法、中红外光谱法、旋光法、喇曼光谱法、光声光谱法、光学相干成像 方法( o p t ic a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，o c t ) 。 由于无创伤测量血糖浓度的重要性，血糖浓度无创检测技术已成为科技发达 2 第一章绪论 国家的研究热点。多家公司及科研机构对其进行了持续而深入的研究，并不断取 得阶段性成果【3 0 1 ，其中，仅2 0 0 0 年在美国获得的与无创血糖检测有关的专利就 达1 0 0 多项。 目前，国际上有数十个科研机构正在开展近红外无创血糖仪的研究：德国的 h m h e i s e 3 1 3 3 1 研究组、美国的g w s m a l l f 3 4 3 9 】研究组和m a a r n o l d 研究组等在 这方面都进行了大量的基础性研究。h e i s e 等人提出使用去水样品和短光程的方 法，以排除由于水的吸收率较大而形成的干扰；运用漫反射技术来建立血糖浓度 的校正模型。在无创测量人体血糖浓度方面，采用口腔内静脉血作为样品，光谱的 采集区间为两个水的吸收峰较高的1 9 0 0 n m 和1 4 5 0 n m 之间的区域，这样的校正 模型误差大约在2 5 m m o l l 左右。麻省理工的k a m a ly o u c e f r o u m i 等认为，用近 红外测量葡萄糖的浓度时，近红外区分布着葡萄糖吸收信号的合频和倍频，葡萄 糖的吸收峰在2 2 5 7 n m 处，温度的变化对葡萄糖吸收也有影响，影响无创血糖测量 的关键因素为：信噪比较低：测量的不可重复性。同时，水在 1 5 0 0 r i m 1 9 0 0 n m 和2 1 0 0 n m 2 3 2 0 n m 处透射率较大，且在2 1 0 0 n m 2 3 2 0 n m 处重复性比较高，因此选用这一波段来对葡萄糖浓度进行建模，由于人 体组织的变化对光谱的改变远大于血糖浓度变化对光谱的改变，所以测量很可能 是不可重复的，需要对每种组织的噪声光谱特点进行研究。对于影响测量精度， 特别是水和温度的影响，在建立数学模型时必须采取一定的方法给予矫正。 r o b i n s o n 等人力图在7 5 0 n m 一- 10 5 0 n m 和8 5 0i 姐1 3 0 0n l i l 两个重叠区域进行 无创性血糖检测，此区域包含了3 v o h 和3 v c h 的葡萄糖倍频波长。他们已经在 三项研究中发表了标准定位误差( s e c ) 在1 1 m m o l l 和2 1m m o l l 之间的数 据，但测量过程中存在较大的基线偏移。b r u m e i s t e r 等人用舌头作为检测部位， 在1 4 0 0 2 0 0 0 n m 范围内对葡萄糖的无创性测定进行了研究。最近他们对五个i 型糖尿病患者进行了3 9 天的透射研究，每天测5 次，他们用这种方法减少了由 临时影响带来的问题。对不同的个体都建立了p l s 定标模型，并用其预测样本的 浓度。 在近期完成的一项为期八周的研究中，亚利桑那m e t r i c s 公司的专家们用其 研制的新型红外线装置检测了1 3 9 例i 型糖尿病患者的血糖，结果表明该装置可 以通过手臂皮肤准确测定出患者的血糖含量。以色列o r s e n s e 公司研制的红外线 检测法则可将其检测结果直接与常规的针刺法比较，而且前期研究结果也已经证 实是非常准确的m 1 。但有关专家同时也指出，目前这两种新装置的体积偏大，需 要进一步做出相应的改进才能便于日常应用。 与国外研究相比，国内起步较晚，但近年来人体内无创近红外光谱检测技术 也正在逐渐展开。长春中科院长春光机与物理所和吉林大学的丁东等人利用红外 第一章绪论 技术进行了大量的血糖无创的基础研究。清华大学电机工程系生物医学工程所人 体运动信息检测研究室的黄岚，丁海曙【4 1 - 4 2 ，王广志等人进行了近红外漫反射光 谱在无损检测血糖的初步研究。上海中医学院莫希等人仿照双波长血氧饱和仪的 原理建立了血糖连续、无创、定量检测的数理模型，进行了理论上的推导。中国 医科大学沙宪政【4 3 掣1 、李明菊等人在无创血糖的近红外光谱检测方面，也做了大 量的研究。 2 0 0 0 年开始，徐可欣在天津大学成立了无创血糖测量小组，进行近红外无 创伤人体血糖浓度测量的专项研究。该项目先后得到多项国家基金的立项资助， 研制了血糖浓度无创伤测量系统几代样机，并在无创血糖仪设计、a o t f 分光系 统设计等多个技术方案上申请了国家发明专利及国际专利 4 5 - 4 9 。 多年以来，在无创血糖检测领域的竞争十分激烈，也不断有新的研究成果问 世。但迄今为止，没有任何公司或机构推出的无创血糖测量仪能够真正满足临床 精度要求，也无任何无创血糖测量仪能够通过美国的f d a 认证。 1 3 当前无创血糖检测存在的主要问题 虽然近红外光谱法是无创血糖检测最好的发展方向，但其在技术上实现起来 却相当复杂。由于组织的光学特性十分复杂，近红外光穿过动态变化的人体组织 时产生的散射作用，使得提取血糖信号十分困难。此外，血糖信号非常微弱，人 体内的水、蛋白质、脂肪等物质的强吸收及体温变化的影响将构成主要的干扰因 素，近红外光谱分析技术需要从重叠的光谱中提取微弱化学成分变化的信息。这 些问题涉及组织光学、光谱学、化学计量学、信号处理、生物医学等多学科的交 叉，解决难度极大。归纳起来，当前主要面临以下几个问题的困扰： ( 1 ) 相互作用机理 近红外光谱方法作为无创伤测量血糖浓度最有前景的方法之一，在测量机理 方面仍然存在一定问题，比如葡萄糖浓度对于光学参数的影响以及光学参数对于 漫反射光的影响。在以前的研究中，这些问题都没有引起足够的重视，而是简单 的运用“黑匣子”模型，将输入输出光与参考血糖浓度值建立回归关系。 ( 2 ) 谱线重叠 人体组织极为复杂，组织中多种物质在近红外区域产生吸收光谱，并与血糖 的吸收光谱重叠。谱线的复杂度使得从中识别和提取血糖的浓度信息极为困难， 因而需要结合有效的多变量校正技术进行处理。 4 第一章绪论 ( 3 ) 测量个体和部位的差异 人体不同部位的皮肤厚度、内部组织的光学特性、血糖分布规律等具有很大 的差异，导致光在不同测量部位的空间分布规律明显不同。要想有效提取组织中 的血糖信息，必须从医学和生物光学的角度同时出发，在清楚各测量部位的内部 组织结构及血糖分布情况的基础上，研究光在组织中的传播规律，选择合适的测 量方案，增强检测光中包含的血糖信息，提高测量信噪比。 ( 4 ) 测量条件的变化 活体测量时，测量位置变化、接触式测量中光学测头与被测部位之间的接触 压力变化及被测部位温度变化等测量条件的改变对近红外光谱的影响都很大。要 想提高人体血糖浓度无创测量精度，必须正确分析测量条件变化带来的影响，并 给出合理的解决方案，提高光谱测量的稳定性。 ( 5 ) 仪器精度 血液及组织中葡萄糖的正常比例只有水的0 1 ，因而，由葡萄糖浓度变化 引起的光谱强度变化很小。要想分辨如此微弱的光谱变化，必须保证测量仪器具 有很高的信噪比。 ( 6 ) 参考值 如前文所述，人体各部位的血糖浓度值都是不一样的。比如皮肤中的血糖浓 度与动静脉、毛细血管的血糖浓度不仅存在数值上的差别，还存在时间上的延迟。 在采用近红外光谱漫反射方法测量血糖浓度时，需要根据光学测头的源与探测器 之间的距离来计算漫反射光子的穿透深度，从而决定光子的穿透部位并以相应部 位的血糖浓度值作为参考。 ( 7 ) 时变性 生物活体的新陈代谢、生理周期、情绪波动以及环境影响等时变性因素都会 直接或间接地影响到人体组织中各种物质成分的含量，从而影响血糖测量的精 度。由于这些时变性问题涉及的因素众多而复杂，以当前的科研水平，这些因素 的变化很难实时监测，从而无法在建模时消除其影响。寻找一种相对基准是解决 时变性问题的可行途径。 实际上，葡萄糖的弱灵敏度以及众多干扰因素，正是血糖无创伤测量至今在 世界范围内还没有真正实现的原因。常用的光谱方法测量中消除噪声影响的方法 为就近背景光谱扣除法，也就是通过测量与被测物质光谱性质相近的参考样品的 光谱作为背景光谱。然而，在人体血糖浓度的测量中寻找参考样品并不是一件简 单的事情。首先，参考点的必须选择在人体，而且最好和测量部位相类似或者相 邻近的地方。其次，由于葡萄糖存在于人体组织液中遍布周身，不存在某个部位 不含葡萄糖，或者葡萄糖浓度能一直固定不变。 第一章绪论 通过几年的研究，本课题组发现：组织的吸收系数和散射系数的综合作用会 对光强分布产生影响；如果在空间的特定位置，由于散射和吸收改变的影响能相 互抵消，那么该位置的光强将不随葡萄糖浓度变化而变化，该位置的光谱就可以 用来作为参考光谱。同样，选择由于散射和吸收效应引起最大的综合影响的位置 作为测量光谱，那么就能实现漫反射光对葡萄糖浓度变化的最大灵敏度。经理论 验证，这种采用灵敏度为零的位置作为浮动的参考基准，同时采用灵敏度最大的 位置作为测量位置的方法，能够显著减小由人体生理环境变化引起的噪声。 1 4 本论文的主要研究任务及结构安排 本文的研究目的是通过分析葡萄糖对光学参数的影响，根据光的传播路径确 认浮动基准方法在无创血糖检测中的可行性，以及通过模拟和实验验证，研究浮 动基准位置的变化规律，为进一步提高测量精度，实现系统的临床应用奠定基础。 文章首先介绍了当今无创血糖研究的进展和面临的主要问题，然后通过分析 光在组织体中的传输模型建立了浮动基准方法的数学模型以及浮动基准位置的 理论公式，通过蒙特卡罗模拟的方法验证了在i n t r a l i p i d 溶液和皮肤模型中，浮 动基准点的存在性和变化的规律性，最后通过设计的实验系统验证了基准点的存 在和变化规律。文章的具体结构安排如下： 第一章为绪论。阐述了无创伤血糖测量的意义和方法，无创血糖的测量涉及 组织光学、光谱学、化学计量学、信号处理、生物医学等多学科的交叉，解决难 度极大，如何从重叠的光谱中提取微弱化学成分变化的信息成为了当前研究的重 点和难点。 第二章为浮动基准方法的测量理论。主要阐述了近红外光谱血糖检测的理论 基础和建模数据的处理方法，并通过分析在无创血糖测量中的噪声因素，提出浮 动基准法测量理论，介绍了浮动基准法的原理。 第三章为浮动点存在特性及模拟分析。根据b o l t z m a n n 传输方程，推导了浮 动基准位置的存在条件以及理论公式，在确定蒙特卡罗模拟参数的计算方法后， 分析在i n t r a l i p i d 溶液模型和皮肤模型中，浮动基准点的变化规律。 第四章为光学参数对基准位置影响的研究。通过蒙特卡罗模拟， 分析在 i n t r a l i p i d 溶液模型中，吸收系数、散射系数、各向异性因子等光学参数对浮动基 准点的影响。 第五章为浮动基准方法的实验研究。通过设计的双光纤和多光纤实验系统对 i n t r a l i p i d 溶液进行实验，验证浮动基准点的存在和其变化的规律性，并提出了光 6 第一章绪论 学测头的设计方案。 第六章为总结与展望。对完成的工作进行总结，并对今后开展的研究进行讨 论。 第二章浮动基准方法的测量理论 第二章浮动基准方法的测量理论 本章具体阐述了近红外光谱法测量血糖浓度的原理和漫反射测量的方法条 件，给出了近红外光谱定量分析的基础模型以及分析模型的评价方法；具体分析 了近红外无创血糖测量中的噪声因素，并阐述了浮动基准方法的测量原理以及推 导了相关的数学模型。 2 1 近红外光谱测量原理 2 1 1 近红外光谱的产生及光谱特征 习惯上，波长7 8 0 n m 至2 5 0 0 r i m 的区域称作近红外区。近红外是电磁波，它 具有光的属性，即同时具“波”及“粒”的二重性，因此，我们对光的能量也可 以用光子表示。量子力学理论认为，光子能量为：e ，= h v ( 其中h 为普朗克常 数，v 为光的频率) 。近红外的光子能量同样可以使用上述公式定量描述。从光 源发出的红外光照射到一种或多种分子组成物质上，如果分子没有产生吸收，则 光穿过样品，该物质分子为非红外活性分子；否则，为红外活性分子。只有红外 活性分子中的键才能与近红外光子发生作用，产生近红外光谱吸收。分子在红外 光谱区内的吸收产生于分子振动或转动的状态变化或者分子振动或转动状态在 不同能级间的跃迁。能量跃迁包括基频跃迁( 对应于分子振动状态在相邻振动能 级之间的跃迁) 、倍频跃迁( 对应于分子振动状态在相隔一个或几个振动能级之 间的跃迁) 和合频跃迁。所有近红外光谱的吸收谱带都是中红外吸收基频 ( 4 0 0 0 - - 1 6 0 0 c m 一) 的倍频及合频。能吸收近红外光的分子主要有两种振动模式： 伸缩和弯曲。伸缩振动是指组成化学键的两个原子沿着键轴方向连续变化的振 动。弯曲是指两个原子成键角变化的振动。从频率范围划分，近红外光谱的波数 在4 0 0 0 c m - 1 以上( 即2 5 0 0 n m 以下) ，因此，只有振动频率在2 0 0 0 c m _ 1 以上的振 动，才可能在近红外区内产生一级倍频，而能够在2 0 0 0c m 。1 以上产生基频振动 的主要是含氢官能团，如c - h 、n h 、s - h 、o h 的伸缩振动。 光照射生物体的组织，被其表面反射、内部吸收和散射而衰减。近红外谱区 对各种物质的吸收系数一般非常小，因而对较厚的生物组织也具有较高的透过 性。1 9 7 7 年j o b s i sf f 4 7 】等用近红外光照射猫和人的头部及狗的心脏，成功地检 测到了透过的光，并且发现这些透过光的强度于生物体组织呼吸状态的变化显示 第二章浮动基准方法的测量理论 相关性，因此利用近红外光可以获得各种生理信息，其中还可获得相关组织氧合 状态的信息。 2 1 2 近红外光谱血糖检测的理论基础 血糖浓度是指血液中的葡萄糖浓度。葡萄糖的分子武为矗h 。吼，如图2 1 所 示。其结构中包含有多个羟基( 0 - h ) 和甲基( c - h ) ，均为能在近红外光谱区产 生吸收的土要含氢官能团。其中，葡萄糖分子在1 1 0 0 r m 一1 3 0 0 n m 波段范围内存在 二阶倍频吸收，在1 5 0 0 a m - 1 8 0 0 a m 波段范围内存在一阶倍频吸收，为利用近红外 光谱测定血糖浓度提供了理论依据。此外，近红外光对于体液和软组织具有很好 的穿透性，是较为理想的人体成分无刨检测的光谱段。随着计算机技术和化学计 量学理论的发展，近红外光谱定量分析的灵敏度、准确性和可靠性都有较大提高。 豳2 - 1 葡萄糖分子结构式 目前已有的定量化方法的理论基础主要有3 种，其一是基本的朗伯一比尔定 律；其二是修正的朗伯一比尔定律；三是散射理论。 根据l a m b e r tb e e r 定理，出射光的强度，与入射光的强度厶光在被测物 中的传播路程l 之间有如下芙系： 一 ，( z ) = ，。e x pj ( ) lj ( 2 一1 ) l i - ij 式中，o 为各吸收物质的浓度， ( 卫) 为相应物质的摩尔吸光系数。 随着被测样品中成份浓度的变化，其出射光的强度也将随之发生变化，所以 根据出射光的强度可以求得待测成份的浓度。因为人体组织中除了糖在近红外区 域具有吸收外，水、蛋白等许多其他成分也会吸收近红外的光，如图2 - 2 所示。 为了求出糖的浓度一般需要在数个波长下进行出射光强度测量，即光谱的测量。 上述的l a m b e r t b e e r 公式只是描述理想的透射测量的过程但是在进行无创伤人 体血糖测量时，光在人体组织叶l 的传播路径并不是直线。在光的传播路径k ，吸 第二章浮动基准方法的测最理论 收粒子对光的吸收作用和散射粒子对于光的散射作用均会使得入射光的强度发 生变化，而且光的传播路径并不固定，因此光程长也并不是一个固定值。 图2 2 血液种各成分的吸收特性 c o p em 等的实验表明，光透过高散射介质时，基本的朗伯比尔方程仍适用， 但公式中的光路已经不是简单的检测器到光源的物理距离，光子从光源到检测器 经过多次散射，于是实际走过的路径长度比检测器到光源的物理距离大得多。在 此基础上d e l p ydt 等提出了微分光路径长度和平均光路长度的概念，并给出了 修正的朗伯比尔方程： ， a = 一l g ( ) = b a 。d p + g ( 2 - 2 ) 0 式中b 是一个光路径长度因子，与吸收系数、散射系数以及散射相位有关； d 。是光源到探测器之间的距离；b d 。为光在组织中所走的实际路径长度，定义 为平均光路径长度( l ) ；g 是由散射引起的光损失，与吸收系数无关。定义微分 光路长为a z a ，则由上式得： 娄= b d p = ( 三) ( 2 3 ) o 弘n 于是考虑组织的散射性质，用平均光路长( l ) 代替基本朗伯比尔方程中物理光 路长d ，得 a a = 。( 三) ( 2 - 4 ) 生物组织是光的强散射体，其散射系数远大于吸收系数，因此可以将 b o l t z m a n n 辐射传输方程进行漫散射近似，以描述组织内的漫散射光与其光学特 1 0 第二章浮动基准方法的测量理论 性参数之间的关系，即散射介质中的光散射方程，对于半无限、均一介质条件下， 超短脉冲的垂直入射光，可由漫散射方程近似求得表面反射光对于时间及空间的 解析表达式。这将在第三章中详细说明。 2 1 3 无创血糖检测的漫反射测量方法 根据出射光检测方式的不同，通常分为透射测量方式和漫反射测量方式。光 在组织传播过程中，与粒子发生碰撞，其中一部分光子被粒子吸收而损耗，另一 部分光子被粒子散射。前向散射光子由组织的另一侧射出，构成透射光，而后向 散射光子由入射侧射出，构成漫反射光。透射方法进行无创伤血糖测量多使用 7 0 0 n m - - 9 0 0 n m 的光学窗口波段，这里水的吸收相对而言比较弱，有可能测量到 深层组织的吸收信息，但透射方法的弱点是葡萄糖在这一波段的吸收较弱；而在 葡萄糖的吸收较强的倍频和合频吸收波长区域，水对于光的吸收相对于葡萄糖占 主要部分，即便是厚度较薄的部位光也无法完全透过，所以人们大多应用手掌、 手臂等较为便利的组织部位，采用漫反射测量方式来检测人体血糖浓度。 近红外光束照射到人体的某个部位，光在组织中行走一定路程l 后，从距入 射光照点一定径向距离处出射。光在人体组织内部传播中被包括血糖在内的各成 分吸收和散射，出射的组织扩散反射光携带血糖对光的吸收信息，检测到该扩散 反射光的光谱，带入建立的预测血糖浓度的数学模型，即可得到相应的血糖浓度 值。 2 2 近红外光谱多元数据分析方法 2 2 1 近红外光谱定量分析的基础模型 光谱技术的基础是朗伯比尔定理，但是实际测得的光谱数据不仅包括了被 测样品的组成和结构信息，还包括了各种噪声，即测量误差于不同组分之间的干 扰等。以化学计量学方法为基础的模型分析为数据的校正过程和数据的预测过 程，如图2 3 所示。模型的校正过程主要是获得校正模型的回归系数、均值、方 差、主成分数等参数。模型的预测过程是对于未知浓度的样品，测量其光谱数据， 通过校正模型的相关参数计算该样品的浓度值。具体步骤包括： 1 ) 设计有代表性的校正集并测量其光谱 2 ) 采用标准方法测定待测成分的浓度，将其作为参考值 3 ) 根据校正集样品的测量光谱和被测量的参考值，通过化学计量学方法建 立校正模型 第二章浮动基准方法的测量理论 4 ) 测量未知待测样品的近红外光谱，将其代入所建立的校正模型，计算得 到待测样品的浓度。 图2 - 3多变量校正模型预测血糖浓度示意图 2 2 2 数据分析方法 化学计量方法通过数学方法对原始光谱进行处理，得到光谱的主成分，并根 据一定的规则选取一定数目的主成份重建光谱，能够最大限度地反映被测样品的 组成和结构信息，而最小限度地包含噪声。常用的化学计量学方法包括：多元线 性回归( m u l t i v a r i a t el i n e a rr e g r e s s i o n ，m l r ) 、主成份分析( p r i n c i p l ec o m p o n e n t a n a l y s i s ，p c a ) 、主成份回归( p r i n c i p l ec o m p o n e n tr e g r e s s i o n ，p c r ) 、偏最小二乘 回归( p a r t i a ll e a s ts q u a r e ，p l s ) 、拓扑学方法和人工神经网络方法等。其中m l r 、 p c r 和p l s 属于线性回归方法，主要用于样品浓度与光谱之间线性关系的关联， 而拓扑学方法和神经网络方法等常用于非线性关系的关联。 利用p l s 法所建立的模型具有很高的解释和预测能力，并通过对多重相关性 的克服提高了模型的正确性和稳健性，是近红外光谱分析中使用最多和效果最好 的一种多变量建模方法【4 9 5 0 】。使用p l s 回归法进行建模分析，其原理可以分为两 步：矩阵分解和线性回归。有关回归算法在本课题组的论文中有详细的讨论，在 这里不再详细概述。 2 3 浮动基准法的测量理论 在近红外光谱测量过程中，受到外界环境影响的因素主要表现为环境温度、 湿度以及外界光等，除此之外，应用光谱方法测量血糖浓度的过程中还包括三方 1 2 第二章浮动基准方法的测量理论 面的噪声，如表2 - 1 所示。其中光谱仪器系统的影响因素有光源稳定性、检测器 热噪声等，在仪器系统与被测对象之间的接口主要有测量位置的重现和接触压力 等，被测对象的因素则包括人体自身生理状态的变化和除葡萄糖以外其它成分的 变化等。这三方面的误差均远大于正常生理状态下葡萄糖浓度的变化所带来的光 谱变化。其中硬件系统和人机接口这两方面的影响可以通过提高系统的稳定性、 控制测量条件等手段加以降低其对测量带来的误差，而人体生理状态的变化却是 不受人为控制的。这种干扰已成为影响在体无创伤血糖检测精度的瓶颈问题。只 有找到有效的解决方案，将多天测量的样本关联起来，加强校正模型的稳健性和 通用性，才能实现无创血糖检测技术的临床应用。 表2 - 1 血糖测量中的各种噪声因素 如果基于浓度变化所引起的在空间的某个特定位置的漫反射( 或透射) 光强 变化规律，选取光强随浓度变化为零的位置作为浮动基准点，选取随浓度变化最 大的位置作为测量点，在测量点能保证最大程度地体现成分的变化，在浮动基准 点所测量得到的光强不随被测成分而变化，只反映各种干扰的影响，这样就能为 测量提供浮动的参考基准，从而减小干扰的影响。 针对血糖浓度检测，可以将人体漫反射光信息，分成两部分：与血糖浓度相 关的光信息，。，以及与人体生理背景等各种变化相关的光信息， ，咚，) = i s ，c g ) + i ，n ) ( 2 5 ) 式中，厂代表检测器与光源之间的径向距离，c 。表示血糖浓度，表示测量过程 中可能引起的干扰变化。 采用差分测量方式，可以得到血糖浓度改变c 。时的漫反射光强变化量： 劬a g ，删赳= i ( r , c g l , n a c 篙0 劣 协6 ， = c l ，。 + ，i r ，) 其中，( ，巳。，。) 为第一次测量得到的光强值，( 尸，c g ：，n ：) 为第二次测量得到 第二章浮动基准方法的测量理论 的光强值，【厂，q ) 为有效的血糖浓度信息，但由于人体生理变化引起的干扰 ，) 占主导且随时间变化，所以造成了难以直接由0 ，q ，) 中提取得 到血糖信息。 下面介绍由本课题组提出的浮动基准法呦1 的测量原理。基准位置，：处的漫反 射光强对血糖浓度的变化不敏感，即： 虬也，缸。j = 0 ( 2 7 ) 则基准位置处的光强变化全部为噪声引起： 世也，a c 。，j = a i 也，) ( 2 8 ) 相应地，求得在测量位置k 处的漫反射光强变化为： k ，a c 。，) = 似h ，吨) + v 以，a n ) ( 2 9 ) 而基准位置处的噪声变化世也，a n ) 和有效测量位置_ 处的噪声变化 a n 眈，) 之间的内在关系是固定的，不妨假设为存在线性的关系： a n 眈，) = 7 7 e ，a ) ( 2 1 0 ) 其中r 是比例系数，r l 的获取可以通过在血糖浓度保持相对恒定时的重复测量得 到。 根据公式( 2 - 8 ) 、( 2 - 9 ) 和( 2 - 1 0 ) 可以求得有效的血糖信号表达式为： s h ，血g j = ，( ，c g l ，i ) 一，( ，c 归2 ) 一矿( o ，c g l ，1 ) + 矿( 厂，c 9 2 ，n 2 ) = h ，缸g ，j 一刁竹，a c g ，a j ，。11 、 厶上j ， 很显然，基于基准位置处的漫反射光信号进行差分处理后，所得到的