近紅外光譜無創血糖檢測技術研究

摘要 對現有的一些使用近紅外光譜無創離體和在體測量葡萄糖的研究結論，結合我們的研究結果進行評述。首先介紹建立葡萄糖光譜檢測的基本理論。在光譜檢測的分析研究中，離體測量表現出良好的結果;在體葡萄糖檢測和預測，結果精度較差，離臨床和家庭使用還有一些距離。

關鍵詞 近紅外光譜;血糖無創檢測

1 簡介

糖尿病是一種內分泌疾病。據報導，1997年全世界的糖尿病患者超過1.2億，到2010年將會增長到2.2億以上。現有對糖尿病較有效的治療手段是通過頻繁的檢測和胰島素注射來對血糖濃度進行控制，從而減少或減輕由糖尿病導致的并發癥。目前檢測血糖的方法主要是從體內抽取血液通過生化檢測進行分析，這屬于有創傷檢測，有創傷檢測給患者帶來的痛苦和不便。無創性血糖檢測已引起人們極大的關注，其意義是：(1)減少患者每天采血測量的痛苦，提高病人的生存質量;(2)可提高測量次數，提高血糖控制精確度，降低糖尿病并發癥發生的危險;(3)降低每次測量的成本;(4)有可能形成含有檢測器和胰島素注射的閉環循環系統;(5)其測量方法和原理可以推廣應用到其它血液成分的檢測。在無創性血糖檢測研究中使用較多的是紅外光譜分析方法，通過對一束紅外光透過人體組織或者由其反射的光譜信號分析，確定組織內葡萄糖的含量。目前較有效的光譜范圍是近紅外區(波長為0.7um-2.5um)。

2 紅外光譜檢測葡萄糖的原理和方法

2.1 水溶液中葡萄糖的近紅外吸收

有機分子在近紅外光譜區的吸收主要是由于含氫基團的分子振動的倍頻與合頻吸收造成的[1]。有機分子的倍頻和合頻光譜能夠得到分子結構、組成狀態的信息。有機物近紅外光譜，其特征性強，受分子內外環境的影響小，但倍頻和合頻比基頻吸收帶寬得多，使得多組分樣品的近紅外光譜在不同組分的譜帶、同一組分中不同基團的譜帶以及同一基團不同形式的倍頻、合頻譜帶發生嚴重的重迭，從而使近紅外光譜的圖譜解析異常困難。在混合物中的化學組分，很難再分離出每種組分單一、無重疊的吸收光譜。在有強烈水的背景吸收情況下的生物混合液，常規方法很難測量出低濃度物質的含量。水是生物組織中的主要成分，不但有單一的紅外光譜，還有豐富的擴展到近紅外區域的合頻和倍頻光譜。對水的紅外光譜分析可知，水在波長為2.01um-2.5um的吸收較小，形成一個被稱為水傳輸窗的區域，所以水溶液物質最好的分析波長為2.0um-2.5um。水在3um以上其吸收率大于6 AU/mm，很難測量其它物質。

2.2 葡萄糖光譜的特異性

在葡萄糖固體和葡萄糖溶液中所得的葡萄糖紅外吸收的基頻早已有報導。葡萄糖伸縮振動能產生很強的合頻和倍頻吸收帶。葡萄糖水溶液的近紅外(2.0um-2.5um)光譜的測量有吸收峰，葡萄糖的光譜是唯一的，但葡萄糖紅外區的合頻和倍頻光譜與水、脂肪和血紅蛋白電子吸收波段的幾個合頻和倍頻頻率相互重迭，即被其它成分的光譜所覆蓋。這是葡萄糖紅外光譜測量的主要干擾。有機混合物對在近紅外區吸收譜帶的重迭以及漫反射光譜并不是各成分單獨存在時光譜的迭加。組織吸收對葡萄糖測量也有影響，在手指這樣小的部位中近紅外光會削弱3-4個吸收單位，而5mmoL/L的葡萄糖濃度變化，光譜吸收的變化約10-5個吸收單位。組織光散射對葡萄糖測量的影響也很大，組織散射的光強、定位誤差和身體各因素的影響是最主要的測量誤差，這些都影響近紅外光譜學在血糖檢測中的應用。

2.3光譜分析方法

在紅外光譜分析時化學計量學方法是很有效的。化學計量學(Chemometrics)采用多元分析校正統計學方法與計算技術，解析化學測量數據，由紅外光譜算出樣品各成分的含量。現在常用的多元分析校正方法中，進行血糖檢測光譜分析效果較好的是偏最小二乘法(PLS)，它將已知的葡萄糖濃度的光譜組，用主因子分析作定量計算的方法，對光譜矩陣進行特征向量分析，然后使用多元線性回歸，找出極小的光譜變化和分析物濃度之間的關系，消除與葡萄糖無關的光譜變數，得出校正光譜，通過校正光譜和樣品光譜的內積(即點積)確定葡萄糖濃度。

3 離體檢測和在體檢測的研究現狀

3.1 離體近紅外光譜混合葡萄糖溶液測量

Jonathon T.Olesberg等使用80個含有葡萄糖、乳酸鹽、丙胺酸、抗壞血酸鹽、尿素和乙酸甘油酯樣品，測量葡萄糖溶液在2.0um-2.5um波長帶寬范圍內的光譜，使用PLS校正光譜預測溶液成分的濃度。結果表明，在0-35mm內葡萄糖溶液的測量預測標準差為0.39mm，乳酸鹽為O.12mm，丙胺酸為0.53mm，抗壞血酸鹽為0.23mm，尿素為0.11mm，乙酸甘油酯為0.12mm，結果比較滿意。目前在成分從簡單到復雜的水溶液中是可以預測葡萄糖濃度的，但這些溶液相對血液或血漿還很簡單，研究的成分最多是5種，所以還需進一步研究更多成分的水溶液來模擬血漿或血液系統。

3.2 血漿或全血近紅外光譜葡萄糖測量

Haahand從人群中獲得了4個不同的全血樣本，并將葡萄糖加入其中。對每個個體，準備葡萄糖濃度從(3-743)mg/dl變化的20個血液樣本，然后在(1.5-2.3)um范圍內收集每個樣本的近紅外光譜，再利用參照葡萄糖濃度，用這些光譜去創建PLS定標模型。對所得光譜進行研究之后表明，2.0um-2.3um含有很有多的葡萄糖信息。利用這段區域，所得交叉校驗的SEP值為30.5mg/dL。這個誤差很大，但它可以通過增加定標樣本的數量和控制掃描過程中樣本的溫度而有所減少。

Amord等人把數字濾波技術用于牛血漿葡萄糖濃度的測定。將牛血離心以得到血漿，加入不等量的葡萄糖共配制69個樣本，并在2.01um-2.5um范圍內收集這些樣本的光譜。通過對這些光譜的觀察，發現有些區域含有很高的噪聲，他們引人傅立葉濾波以減少噪聲和基線偏移。經過PLS定標和預測得出SEP值。結果表明，近紅外光譜可用于測定血漿基質中的葡萄糖濃度，準確度和精度在允許的誤差范圍內。

我們用磷酸氫二鈉和磷酸二氫鈉配制不同濃度葡萄糖緩沖水溶液，葡萄糖濃度是18mg/dL-1800mg/dL。共配制20個溶液樣本。另外還配制加有牛血清白蛋白(BSA)成分的葡萄糖溶液，配制時在900mg/dL的葡萄糖緩沖溶液中加入了70mg的BSA，制成樣本，并在臨床采集已知葡萄糖濃度的血樣，使用MAGVA-AR560型近紅外傅立葉變換光譜儀，在1.61xm-2.51xm段的近紅外光譜范圍進行研究。使用PLS分析也取得了較好的結果。

3.3 在體近紅外光譜血糖測量

在體近紅外光譜血糖測量的關鍵是建立在體環境下的校正光譜，因為有很多誤差來源影響測量，需要通過定標來消除或予以補償。有些影響測量的誤差卻不容易合并到定標中，這樣的誤差來源主要有探測器定位誤差、溫度和脈搏的影響、檢測設備的機械壓力、水合作用、出汗、血容量以及血流比容積的變化等。現在主要有兩種研究方法，一種是實驗方法，在進行口服耐糖檢測(OGTT)時從非糖尿病人群和糖尿病患者中無創地收集光譜信號，同時用有創傷的方法測量血糖濃度，最后在所得血糖值和無創性收集的光信號的關系基礎上建立模型。這種方法不能測量出其它的代謝物、干擾物、生物噪聲或者儀器與身體接觸面的變化等信息，但它可計算出這些噪聲所帶來的影響。另一種方法是物理模型方法，在這種方法中，首先在一組標準葡萄糖溶液中測量葡萄糖的信號。然后逐漸增加標準液的復雜性來模擬人體組織，并描述每一步的精度和準確度，再用數學模型把數據關聯起來，用于組織中的光線傳播，最后把研究的測量方法和系統應用到人體中。所得的體內信號又與通過化學測量技術的有創傷數據關聯起來。這種方法可以鑒別噪聲成分，因此利用這種方法在使用化學測量技術之前消除噪聲對信號的影響。

手背皮膚的近紅外漫反射光譜特性，可知類似水溶液。人體組織在近紅外區域也有一個傳輸窗，所以在2.0um-2.5um處有可能測量葡萄糖的濃度。一個含有脂肪和葡萄糖等的理論模型已經在2.0?m-2.5?m范圍內用于模擬組織葡萄糖的光吸收。在這些研究中所用的葡萄糖濃度通常要比生理濃度的范圍高。但由于目前的幾種技術還不能很好地確定所測的信號，對一個血糖濃度正在變化的個體來說，用口服耐糖試驗的數據可以建立一個關于血糖濃度的無創性測量響應。在檢測過程中產生的數據還可在后來的無創性測量中預測血糖濃度。由于無創性測量響應可能會帶有非糖方面的生理影響，所以由口服耐糖試驗和無創性測量回應關系所決定的臨床定標就會產生一個定標曲線，這個曲線對被測個體來說是唯一的。但這種定標曲線可能需要通過有創傷的檢測進行周期性的更新。用于定標的口服耐糖試驗和飲食耐量試驗會產生時間上連續的一系列測量值，但如果不能進行隨機采樣，這些由時間決定的數據就會影響多變量定標的結果。這樣，光譜信號和噪聲的臨時分布可能會導致與血糖的不正確關聯。在體經皮研究結果顯示，到目前為止還不能鑒別直接測得的葡萄糖濃度和數據組內存在的偶然關系。所以現在的研究水平用于家庭血糖監測儀還是不可接受的。

4 檢測存在的問題

近紅外在體檢測葡萄糖濃度的缺點：(1)測量精度較低;(2)需要反復定標;(3)受到服用藥物的影響，其它干擾因素較多;(4)水的近紅外波段的吸收強度對溶解物的濃度和溫度很敏感;(5)尚未得到美國FDA的批準;(6)使用的儀器設備較昂貴且很難小型化。

5 結論

在近紅外光譜范圍內具有檢測葡萄糖的分析信息，最佳的光譜范圍在2.0um-2.5um。葡萄糖的光譜是獨立的，但和人體其它物質的光譜具有重迭，近紅外光穿透皮下很少，葡萄糖的吸光率很小，所以近紅外光譜測量葡萄糖是困難的。在體血糖值和所測的光學信號上確實存在著相關性，但還沒有無創性的實驗可以提供證據證明所測的信號可被關聯到實際的血糖濃度上。需要研究和發展更靈敏、分布更穩定的測試設備。國內用于構造模型的基礎數據和臨床數據很少。基于以上情況，我們分析了無創傷血糖檢測研究的各種方法，結合技術和設備的實際情況，利用近紅外透反射方法做了一定的基礎性研究，并取得較好的結果。