近红外无创伤血糖测量的组织光学基础研究_图文

1、激光生物学报第17卷第1期2008年2月ACT A LA SER B I O LO GY SI N基础研究I CAVol . 17No . 1Feb . 2008近红外无创伤血糖测量的组织光学基础研究罗云瀚, 徐可欣123(1. 暨南大学理工学院光电工程系, 2. 摘要:。在分析了血糖浓度无创伤测量的意义、, , 并根据当前, 。通过组织光学角度对血糖浓度无创伤测量方法的剖析, 更加明确血糖测量的研究任务, 有望促使其更进一步的发展以及血液中其他成分的无创测量。关键词:血糖浓度; 无创测量; 近红外光谱; 组织光学中图分类号:R318. 51文献标识码:A文章编号:100727146(2008

2、 0120024204A Non i n va si ve M ethod for Blood Glucose Sen si n gand Rel a ti n g Research i n T issue O pti csLUO Yun 2han , XU Ke 2x in123(1. Depart m ent of Op t oelectr onic Engineering, College of Science and Engineering, J inan University, Guangzhou 530612, Guangdong, China; 2. State Key Labo

3、rat ory of Precisi on M easuring Technol ogy and I nstrument, Tianjin University, Tianjin 300072, China Abstract:Noninvasive measurement of bl ood glucose has become a worldwide focused issue . After summarizing the i m 2portance, current methodol ogy, and p r ogress about noninvasive measurement of

4、 bl ood glucose, the course of glucose effecting light p r opagati on is analyzed in viewpoint of tissue op tics . According t o the current situati on in this field, s ome key p r oblem s relating t o noninvasive glucose sensing are raised up. The summarizati on and analysis p r oposed in this p re

5、sentati on is expected t o hel p advance the p r ogress of both methodol ogy and technol ogy in noninvasive sensing of glu 2cose and other bl ood contents as well .Key words:glucose concentrati on; noninvasive sensing; near 2infrared spectr oscopy; tissue op tic血糖浓度的近红外无创伤测量已成为学术界的研究热点。从1990年开始, 在美国

6、有许多风险投资公司和大学等研究机构投入了巨额资金和时间进行了无创伤血糖计的开发123万日元425。在我国, 天津大学成立了无创血糖测量627小组, 先后得到多项基金的立项资助, 进行近红外无创伤人体血糖浓度测量的专项研究。尽管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。日本于2000年成立了血糖无创伤检测的项目研究组, 投资经费六亿四千收稿日期:2007202204; 修回日期:2007207204基金项目:国家自然科学基金项目(30170261 ; 广东省自然科学基金项目(51207043作者简介:罗云瀚(1979 , 男, 博士, 主要

7、研究生物医学光子学与应用光谱。(电子信箱 yunhan_luoyahoo .com. cn3通讯作者(电子信箱 kexintju . edu . cn第1期罗云瀚等:近红外无创伤血糖测量的组织光学基础研究25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器能够通过FDA 认证。其中有血糖信号十分微弱、近红外的普现重叠、个体差异很大等固有的原因, 也有一些研究机构对基础问题尤其是对于组织光学方面研究不够深入的原因。本文将分析无创血糖测量所包含的主要研究内容出发, 分析组织光学在其中的基础地位, 。进一步导致组织的光学性质的变化, 这是组织光学在更加微观尺度的体现。1

8、. 3组织特性变化引起组织的光学特性变化糖浓度的变化将导致两方面的效应:吸收效应和散射效应, 、散射系数。4改变, 而对于漫反射测量而言, 最终的影响是漫反射光强的绝对变化以及在不同位置的光强相对变化。根据光的传输特性及其分布规律分析合理设计光学测头是组织光学在本研究中的目标所在。1. 5光谱的拾取和光谱与血糖浓度的关系这部分研究用化学计量学的方法来加以建立光谱与血糖浓度之间的模型, 由于血糖的光谱信号微弱, 且与其它成分吸收相互重叠, 因此需要到主成分分析、多元回归、净信号分析和二维光谱分析等化学计量学方法。有此可见, 组织光学在血糖的无创测量中重要图1无创血糖测量涉及问题与相关学科Fig

9、. 1D isci p lines ass ociated with noninvasive glucose sens 2ing承接作用, 既联系着血糖的分布与代谢规律, 又是光学方法检测血糖信号的实现基础。2无创伤血糖测量的组织光学问题1无创伤血糖测量的研究内容如图1所示, 人体血糖浓度的无创测量是一个包含从临床医学、组织光学、计量化学、仪器科学等多方面的综合性问题。这些研究内容和学科门类, 这几部分互相关联、互相制约, 只有全面、系统、深入地研究各个部分, 才有可能取得最后血糖浓度无创伤测量的成功。1. 1葡萄糖在人体内的分布与糖代谢规律2. 1血糖浓度与组织光学参数的关系体内主要的糖类是

10、糖原和葡萄糖。正常人体血糖的浓度值在3. 3mmol/L到8. 3mmol/L之间, 皮肤的葡萄糖含量相当于血糖的2/3左右, 糖尿病患者的皮肤含糖量可更高。皮肤中的葡萄糖大部分都集中于真皮组织, 这是血糖无创测量的生理基础。1. 2血糖浓度变化与组织特性的变化当人体摄入葡萄糖后, 通过血液循环系统使得皮肤的糖浓度也会发生变化, 然而当皮肤中的糖浓度发生变化以后, 细胞与细胞液之间由于浓度差别形成渗透压, 有可能引起细胞的形状发生改变, 然后图2葡萄糖浓度对光学参数以及光传输影响的作用机制Fig . 2Effecting mechanis m of glucose concentrati on

11、 on op 2tical p r operties and light p r opagati on激光生物学报第26如图2所示, 葡萄糖浓度C g 的增加将引起的三方面变化:(1 背景溶液折射率n 0的增加, 这是因为组织液的折射率小于葡萄糖的折射率, 因此葡萄糖分子进入组织液后, 溶液的折射率将会增加。背景溶液折射率的增加, 使得散射体与散射背景之间的折射率差减小, 从而引起散射系数和散射相函数的变化。(2 水的摩尔浓度C w 的减小。单位体积内葡萄糖浓度的增加必然引起其它成分浓度的减小。(3 葡萄糖的本征吸收的增加。a 。散射系数a 、s 和各向异性因子g 的变化规律在国内外有一些研究

12、821217卷方法有传输方程、蒙特卡罗数值模拟。要获取传输方程的解析解是很困难的, 几十年来传输方程只在为数不多的几种理想情况下得到了解析求解。蒙特卡罗方法是一种重要的数值模拟方法, 以随机数的选择为基础, 通过随机试验去求解众多类型的问题。, 。图4不同葡萄糖浓度的漫反射光强Fig . 4I nfluence of glucose concentrati on on diffuse reflec 2tance图31600nm 光学参数随葡萄糖浓度的变化关系Fig . 3Relati on of op tical p r operties and glucose concentra 2ti o

13、n at 1600nm图3是在组织模拟液(10%Intralip id 中加入的不同量的葡萄糖后, 采用双积分球系统测量得到在1600nm 下的光学参数的变化规律。图中横坐标是加入图5葡萄糖浓度与漫反射变化关系Fig . 5Change in diffuse reflectance due t o glucose concen 2trati on不同浓度的葡萄糖后的溶液, 纵坐标是光学参数, 包括吸收系数散射系数各向异性因子g 以及约a 、s 、化散射系数s 。从图中可以看出:随着溶液的葡萄糖浓度的增加, (1 吸收系数在微弱的增大; (2 散射系数逐渐减小; (3 各向异性因子g 逐渐增大;

14、(4 约化散射系数s =(1-g s 也是逐渐减小。图3的实验结果中散射系数各向异性因子g s 、和约化散射系数a 的变化规律直接吻合图2理论分析。而吸收系数a 综合了葡萄糖以及其他成分的变化, 最终呈现随糖浓度增加而增大, 符合理论分析的趋势。2. 2光传输与分布的研究图4是利用图3中的光学参数进行模拟得到不同葡萄糖浓度的光分布规律。图中横坐标是光源检测之间的距离, 纵坐标是漫反射光强。从图中不难看出随着葡萄糖浓度的增加后漫反射光强的变化规律, 因此将加入葡萄糖后的漫反射光谱与无糖的组织模拟液的漫反射光谱做差得到图5。图5显示, 在不同的径向距离(s ource detect or sepa

15、ra 2ti on 漫反射光的变化幅度与变化方向都是不一样的。一般而言, 变化幅度最大的位置是测量位置的最佳选择, 然而如果不充分的研究光的分布规研究光学参数对光的传输与分布的影响常用的第1期罗云瀚等:近红外无创伤血糖测量的组织光学基础研究27律, 将测量位置选择在2. 0mm 附近, 这时接受到的漫反射光不能反映糖浓度的变化信息。当然, 实际的血糖测量中还有很多问题需要考虑, 比如皮肤的结构与个体差异, 漫反射光的实际有效性。这些问题都是无创血糖测量中组织光学所研究的基础问题。4MOSER G, URBAN G A. B i osens or A ssays for Si m ultaneo

16、usMeasurement of Glucose, Lactate, Glutamate, and Glutam ine J .Anal Chem Acta, 2002, 17:2972302.5T ARUM IM , SH I M ADA M. Si m ulati on Study of in vitro GlucoseMeasurement by N I R Spectr oscopy and a Method of Err or Re 2ducti onJ .PhysMed B i ol, 2003, 48:237322390.6XU K, L , ZHANG L, et al . S

17、tudy on Non 2in 2B l J Sci &Tech, 2002, 27L U XU et . Combined Op ti m al 2pathlengths2infrared Spectr oscopy Analysis J .Phys Med &B i ol, 2004, 49:121721225.8BRUULSE MA J T, HAY WARD J E, FARRELL T J. Corelati onbet w een B l ood Glucose Concentrati on in D iabetics and Noninva 2sively Measured Ti

18、ssue Op tical Scattering CoefficientJ .Op 2tics Letters, 1997, 22(3 :1902192.9MA I ER S, WALKER A , FANTI N I, et al . Possible Correlati onbet w een B l ood Glucose Concentrati on and the Reduced Scatter 2ing Coefficient of Tissues in the Near I nfrared J .Op tics let 2ters, 1994, 19(24 :206222064.

19、10MATTH I A S K, MATTH I A S E, MARK C . The I nfluence ofGlucose Concentrati on upon the Trans port of L ight in Tissue 2si m ulating Phant om s J .Physics in Medicine and B i ol ogy, 1995, 40:126721287.11K OHL M , ESSENPRE I SM , BOCKER D. I nfluence of GlucoseConcentrati on on L ight Scattering in Tissue Si m ulati on Phant om J .Op tics Letters, 1994, 19(24 :217022172.12BART LETT A , J I A NG