陳星旦 ，高 靜，丁海泉

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京100049)

1 引 言

提高人民健康水平是21 世紀(jì)我國(guó)面臨的巨大挑戰(zhàn)，重大疾病的防治成為我國(guó)乃至國(guó)際醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的主要問題。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)技術(shù)和發(fā)展規(guī)劃綱要( 2006 ～2020) 》提出: 重大疾病防治要戰(zhàn)略前移，要重點(diǎn)研究開發(fā)早期預(yù)警和診斷等關(guān)鍵技術(shù)，盡量做到早預(yù)防、早發(fā)現(xiàn)、早治療。

糖尿病是一種常見的慢性代謝疾病，與心血管病、癌癥并稱為人類健康的三大殺手，嚴(yán)重威脅著人類的健康。根據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)合會(huì)( IDF) 的最新數(shù)據(jù)，全球約有3.66 億人患有糖尿病，每年有460 萬人死于糖尿病，預(yù)計(jì)到2030 年，全球糖尿病人數(shù)將達(dá)到5.5 億。我國(guó)是糖尿病患病率增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家之一，糖尿病患病率高達(dá)10%。此外，我國(guó)另有16%的人已處在糖尿病患病前期。糖尿病人自身缺乏對(duì)血糖的調(diào)節(jié)能力，體內(nèi)的葡萄糖水平易處于正常范圍之外，這會(huì)導(dǎo)致心腦血管病變、腎衰竭、失明等并發(fā)癥。

另外，在臨床上，重癥病人不論是否糖尿病患者，也不論是外科還是內(nèi)科患者，也常出現(xiàn)高血糖。即使既往沒有糖代謝紊亂的基礎(chǔ)病史，應(yīng)激性高血糖亦非常普遍。高血糖會(huì)降低人機(jī)體的免疫功能，如T 淋巴細(xì)胞水平改變，吞噬細(xì)胞的吞噬殺傷功能下降等。此外，微生物在高糖環(huán)境下生長(zhǎng)繁殖迅速，將導(dǎo)致許多嚴(yán)重并發(fā)癥的發(fā)生，因此在重癥監(jiān)護(hù)病房( ICU) 也應(yīng)對(duì)患者進(jìn)行嚴(yán)格的血糖控制。

2001 年，比利時(shí)Van Den Berghe 等人在《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》首次提出“嚴(yán)格血糖控制( Tight G1ycemoc Control，TGC) ”治療概念［1］，即通過強(qiáng)化胰島素治療( Intensive Insulin Therapy，IIT) ，將危重患者的血糖控制在正常范圍內(nèi)，可大幅度降低危重患者院內(nèi)病死率和多種并發(fā)癥的發(fā)生率?？刂蒲堑陀?.8 mmol/L(140 mg/dL) 可使住院死亡率下降29.3%，新發(fā)的腎功能衰竭降低75%，在ICU 的住院天數(shù)下降10.8%［2］。

目前，糖尿病的治療尚無有效手段，只能通過改善血糖水平，降低或延緩并發(fā)癥的發(fā)病率。這需要患者盡可能多次地對(duì)血糖水平進(jìn)行測(cè)量，以便根據(jù)血糖水平的實(shí)際情況，及時(shí)地調(diào)整治療方案。重癥病人亦需要通過血糖監(jiān)測(cè)，研究制定出更加科學(xué)的TGC 治療方案來有效地降低ICU 患者死亡率和并發(fā)癥的發(fā)病率。

常規(guī)的血糖測(cè)量手段需要從靜脈( 抽血) 或者從毛細(xì)管( 通過針刺患者手指指尖處) 取血后，再用血糖分析儀進(jìn)行測(cè)定。這種常規(guī)的方法會(huì)給病人帶來疼痛且存在感染的危險(xiǎn)，還需要試劑或試紙等消耗品，不適合頻繁進(jìn)行，因此直接影響給藥劑量及服用時(shí)機(jī)的精確性。

按照世界衛(wèi)生組織( WHO) 要求，糖尿病患者的血糖水平每天至少需要檢測(cè)4 次，目前大多糖尿病患者每日實(shí)際測(cè)量次數(shù)達(dá)不到要求。人們企盼一種準(zhǔn)確、無創(chuàng)、簡(jiǎn)便、快速的方法實(shí)現(xiàn)血糖水平的測(cè)量，以克服常規(guī)測(cè)量方法存在的不足［3］。無創(chuàng)血糖測(cè)量技術(shù)有望從根本上改善全球數(shù)億糖尿病患者的生活質(zhì)量，有效降低日常血糖測(cè)量所帶來的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，是指導(dǎo)糖尿病治療、重癥病人監(jiān)護(hù)以及反映人體糖代謝能力的有效手段，具有非常重要的社會(huì)和現(xiàn)實(shí)意義。

2 無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)的光學(xué)方法

近些年，無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。其中，光學(xué)方法具有快速、無創(chuàng)傷、信息多維化等特點(diǎn)，是目前無創(chuàng)傷血糖監(jiān)測(cè)的主要研究領(lǐng)域。從已經(jīng)報(bào)導(dǎo)的結(jié)果來看，所使用的光學(xué)方法主要有旋光法、光學(xué)相干斷層成像法、拉曼光譜法、紅外光譜法等。

光學(xué)方法是將光作為信息的載體，當(dāng)光經(jīng)過人體組織并與其相互作用后，出射光的性質(zhì)發(fā)生了變化，最終反映在攜帶了相關(guān)生化成分信息的光信號(hào)中。然后，通過數(shù)學(xué)方法從光信號(hào)里提取出與待測(cè)成分有關(guān)的信息，建立光信號(hào)與生化成分信息之間的關(guān)系模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人體組織中葡萄糖含量的測(cè)量。

2.1 旋光法

手性分子對(duì)左、右旋偏振光的折射率不同，通過測(cè)量經(jīng)過樣品后偏振光的偏振方向變化，可以間接測(cè)量待測(cè)物的濃度。旋光度可以由下式來表達(dá):

式中:aλ為波長(zhǎng)為λ 下的旋光系數(shù)，單位為dm-1( g/L)-1;l為光程，單位為dm;c為溶液的濃度，單位為g/L。通過檢測(cè)特定波長(zhǎng)偏振光經(jīng)人體組織后的旋光度，可以計(jì)算組織中葡萄糖的含量。

1982 年，美國(guó)俄克拉荷馬大學(xué)的March 和Rabinovitch 等人［4］首次提出通過測(cè)量眼球前房水的旋光來間接估計(jì)血糖水平。2005 年，美國(guó)德州A＆M 大學(xué)的Gerard L.Coté 等人［5］用雙波長(zhǎng)偏振光測(cè)量人眼部位的血糖濃度。2006 年，臺(tái)灣清華大學(xué)的Chien-ming Wu 等人［6］使用外差旋光儀測(cè)量旋光活性介質(zhì)，定量分析的標(biāo)準(zhǔn)差( Standard Error of Calibration，SEC) 為1.4 mmol/L。

目前，旋光法的研究大多采用靈敏度高的外差法，但外差法對(duì)相位變化信息較為敏感，需頻繁校準(zhǔn)。同時(shí)，該方法的準(zhǔn)確度、重復(fù)性還不能達(dá)到血糖測(cè)量的臨床要求。

2.2 光學(xué)相干斷層成像法

光學(xué)相干斷層成像( Optical Coherence Tomography，OCT) 技術(shù)自第一次被用于眼睛斷層成像以來，在生物診斷領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。該技術(shù)采用低相干光源，人體組織反向散射的光和從干涉儀參考臂返回的光混合，形成相干光，且只有在它們之間的光程差小于相干長(zhǎng)度時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。通過測(cè)量采樣臂散射反射光和參考臂反射光的干涉圖像，可以實(shí)現(xiàn)深度鑒別［7］。同時(shí)，分析物的散射系數(shù)會(huì)隨待分析成分的濃度變化而改變，可以用來測(cè)量濃度信息。

德州大學(xué)醫(yī)學(xué)科加爾維斯頓分校的Esenaliev R.O.等人［8］結(jié)合口服葡萄糖耐量實(shí)驗(yàn)( Oral Glucose Tolerance Test，OGTT) ，通過測(cè)量皮膚的OCT信號(hào)，發(fā)現(xiàn)OCT 信號(hào)與血糖濃度的相關(guān)性較好(0.8≤r≤0.95) 。

OCT 測(cè)量血糖的干擾源與其它散射技術(shù)一樣，主要來自于人為移動(dòng)、組織的不均勻性等［9］。

2.3 拉曼光譜法

拉曼光譜( Raman Spectra，RS) 分析是基于印度科學(xué)家C.V. Raman 發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)的一種分析方法，通過測(cè)量入射光頻率與散射光頻率的差異也就是拉曼位移來分析分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等信息。拉曼光譜線比較尖銳，特異性較好，是分析生物分子與組織變化的強(qiáng)有力工具。

利用拉曼光譜高精度定量分析葡萄糖時(shí)，不得不考慮拉曼光譜的重疊問題［10］;該方法的主要的局限性是拉曼光譜信號(hào)非常微弱，易受到干擾。近幾年，有研究者利用拉曼共聚焦顯微技術(shù)分析眼睛前房水中葡萄糖濃度［11］，獲得了較好的精度，但臨床應(yīng)用的安全性及眼房水中葡萄糖對(duì)血糖的可替代性仍需進(jìn)行評(píng)估。

2.4 紅外光譜法

紅外光譜法通過測(cè)量生物組織的吸收光譜，提取出反映葡萄糖分子的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)血糖的定量分析。根據(jù)工作波段，該方法又分為近紅外光譜法和中紅外光譜法。

近紅外光譜( Near Infrared Spectroscopy，NIRS) 區(qū)域是指波長(zhǎng)在780 ～2 500 nm 的電磁波，主要反映了C—H、N—H、O—H 等含氫基團(tuán)振動(dòng)的合頻及倍頻吸收信息。在此波段，不同成分的吸收峰重疊嚴(yán)重，是一度被人們忽視的區(qū)域。但隨著化學(xué)計(jì)量學(xué)、計(jì)算機(jī)、高性能的光學(xué)材料及光電子器件等各種先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，利用這一波段進(jìn)行光譜分析的優(yōu)勢(shì)逐漸展現(xiàn)出來。

近紅外光在生物組織中的穿透深度能達(dá)到數(shù)毫米，能夠到達(dá)含有血液的組織部位，光譜信息較為豐富，非常適合用于分析生物組織內(nèi)部的物理及化學(xué)參數(shù)。在無創(chuàng)血糖測(cè)量領(lǐng)域，近紅外光譜被眾多研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注，并投入了巨大的精力。其基本原理是通過測(cè)量人體某部位的近紅外吸收光譜，然后利用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，從人體近紅外光譜中提取出與葡萄糖相關(guān)的吸收信息。

與近紅外光譜相比，中紅外光譜( Mid-infrared Spectroscopy，MIR) 主要反映分子振動(dòng)的基頻吸收。不同分子之間的吸收相對(duì)獨(dú)立，較容易提取待分析物的吸收信息;同時(shí)，由于人體生物組織對(duì)中紅外光的吸收較強(qiáng)，光譜對(duì)物質(zhì)濃度變化的響應(yīng)較靈敏。

3 紅外無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)的主要問題分析

美國(guó)的Norris 在1991 年的第4 屆國(guó)際近紅外光譜學(xué)會(huì)議上發(fā)表了“近紅外在醫(yī)學(xué)上的可能應(yīng)用”［12］，激發(fā)了近紅外光譜工作者研究無創(chuàng)傷血糖監(jiān)測(cè)技術(shù)的熱情。上世紀(jì)90 年代以來，發(fā)表了大量的論文和專利。

利用近紅外進(jìn)行無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)研究時(shí)，可以用透射方式，也可以用反射方式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量部位也比較靈活，有關(guān)耳垂、口腔黏膜、指尖、前額、嘴唇、舌頭、手臂、臉等部位的研究均有報(bào)導(dǎo)。

德國(guó)H.M.Heise 等人［13］對(duì)人口腔黏膜處在1 111 ～1 835 nm 的近紅外漫反射譜進(jìn)行了研究，結(jié)合單一個(gè)體的OGTT，建立了分析血糖定標(biāo)模型預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差( Standard Error of Prediction，SEP)為2.4 mmol/L。美國(guó)愛荷華大學(xué)Arnold［14］小組針對(duì)葡萄糖、三乙酰甘油酯、尿素、抗壞血酸鹽、乳酸鹽、丙氨酸等成分組成的模擬溶液，通過測(cè)量其光譜( 見圖1) ，計(jì)算了這些生化成分在一級(jí)倍頻波段( 1 550 ～1 850 nm) 與合頻波段( 2000 ～2 500 nm) 的摩爾吸收系數(shù);并分別利用這兩個(gè)譜區(qū)的光譜數(shù)據(jù)建模。結(jié)果認(rèn)為，利用近紅外光譜技術(shù)分析某些生化指標(biāo)是可行的，且合頻波段光譜比一級(jí)倍頻波段光譜更適合生化成分的檢測(cè)。德國(guó)的K.Danzer 等人［15］利用光纖探頭測(cè)量了手指在800 ～1 350 nm 的漫反射譜，結(jié)合單一個(gè)體的數(shù)據(jù)，所得定標(biāo)模型的SEP 為2.0 mmol/L。陳文亮等人［16］設(shè)計(jì)并搭建了基于聲光可調(diào)濾波器的近紅外無創(chuàng)血糖測(cè)量系統(tǒng)，并在OGTT 過程中，單體建模得到了較好的結(jié)果。美國(guó)的S. F. Malin等人［17］在35 天內(nèi)，針對(duì)7 名糖尿病人，隨機(jī)采集其手臂處在1 050 ～2 450 nm 的近紅外光譜，選出其中3 人的數(shù)據(jù)用于建立定標(biāo)模型，得到的SEP為1.41 mmol/L。A.S?mann等人［18］研究了近紅外無創(chuàng)血糖方法中定標(biāo)模型的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖1 在第一倍頻和合頻譜區(qū)，葡萄糖、乳酸、丙氨酸、抗壞血酸鹽、甘油醋酸酯和尿素的吸收光譜圖Fig.1 Absorbance spectra of glucose，lactate，alanine，ascorbate，triacetin，and urea over the first overtone and spectral combination regions

上述近紅外無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)方法都是直接從獲取的人體近紅外光譜中提取血糖的吸收信息，取得了一些初步的研究成果。具體來講，利用單一個(gè)體的OGTT 數(shù)據(jù)能獲得不錯(cuò)的分析結(jié)果; 但針對(duì)多人或單人長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)來說，結(jié)果還不夠理想。近紅外無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)面臨的主要困難［19］可以歸納如下:

(1) 葡萄糖吸收信號(hào)非常微弱，且與人體中其它生化成分的吸收相互重疊、相互干擾。人體近紅外光譜中，水、脂肪、皮膚、肌肉、以及骨骼等人體組織背景吸收貢獻(xiàn)很大，這些因素不但會(huì)影響儀器的噪聲、光譜的散射及基線漂移性質(zhì)，還會(huì)產(chǎn)生不同程度的吸收干擾，導(dǎo)致微弱的葡萄糖吸收信息很難被提取出來。

(2) 組織背景吸收具有復(fù)雜、時(shí)變、存在部位差異的特點(diǎn)，給近紅外化學(xué)計(jì)量學(xué)定標(biāo)模型的長(zhǎng)期穩(wěn)定性帶來了困難。

對(duì)于中紅外光譜，葡萄糖分子的基頻吸收主要在1 200 ～900 cm-1( 約8 ～11 μm) 之間。上世紀(jì)80 年代，德國(guó)的N. Kaiser 首次提出結(jié)合二氧化碳激光器與衰減全反射( Attenuated Total Reflection，ATR) 來實(shí)現(xiàn)血液中葡萄糖測(cè)量的方法［20］。20 年來，出現(xiàn)了大量利用中紅外測(cè)量全血、血清及血漿中葡萄糖含量的報(bào)導(dǎo)。

美國(guó)伍斯特理工學(xué)院的Y. Mendelson 等人［21］利用在9.2 ～10.8 μm 波長(zhǎng)可調(diào)的二氧化碳激光器，結(jié)合ATR 測(cè)量方式搭建了一套用于分析血液中葡萄糖含量的測(cè)試系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對(duì)98 個(gè)血糖值分布在2.67 ～15 mmol/L 的豬血樣品中的葡萄糖進(jìn)行了分析，測(cè)量值與真實(shí)值之間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.969。德國(guó)的H.M.Heise等人［22］利用全血的衰減全反射傅里葉變換光譜( ATR-FTIR) ，結(jié)合偏最小二乘回歸法( PLSR) 分析了全血中葡萄糖的含量，SEP 為1.1 mmol/L，在用ATR方式進(jìn)行測(cè)量時(shí)，蛋白質(zhì)不容易從ATR 晶體表面上清除，會(huì)對(duì)其它樣品的光譜產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響分析結(jié)果的精度。奧地利維也納科技大學(xué)R.Vonach 等人［23］利用全血樣品的中紅外透射譜( 見圖2) ，結(jié)合PLSR 建立了分析血糖的定標(biāo)模型，其SEP 為0.83 mmol/L。美國(guó)新墨西哥大學(xué)醫(yī)學(xué)院K.J.Ward 等人［24］利用全血的ATR-FTIR光譜，研究了6 個(gè)志愿者的餐后血糖，所建立PLSR 校正模型的校準(zhǔn)精度為 0.61 ～0.72 mmol/L。韓國(guó)的Y. J. Kim 等人［25］通過測(cè)量全血的ATR-FTIR 光譜，分析了血紅蛋白對(duì)分析全血樣品中葡萄糖含量的影響，所建模型的相對(duì)分析精度為5.9%。英國(guó)劍橋大學(xué)Y. C. Shen等人［26］研究了28 個(gè)病人的全血樣品，利用PSLR結(jié)合950 ～1 200 cm-1的數(shù)據(jù)建立了分析葡萄糖的定標(biāo)模型，并用獨(dú)立的數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)測(cè)，SEP 為10.6 mg/dL(0.59 mmol/dL) ; 只考慮單獨(dú)一個(gè)人血漿樣品的光譜時(shí)，其二階導(dǎo)數(shù)譜在1 082 cm-1或1 093 cm-1處的強(qiáng)度與葡萄糖含量之間存在較好 的 相 關(guān) 性， SEP 為 17.1 mg/dL(0.95 mmol/dL) 。捷克的G.Budinova 等人［27］首先把一批全血和血清樣品涂在不同聚乙烯載片上，待樣品干燥后，測(cè)量其中紅外光譜，結(jié)合PLSR建立了分析樣品中葡萄糖含量的定標(biāo)模型，所得預(yù)測(cè)殘差平方和的均值為1.24 mmol/L，與用ATR 方式所得結(jié)果相當(dāng)。加拿大國(guó)家研究院R.A.Shaw等人［28］對(duì)血清樣品中的葡萄糖進(jìn)行了分析，SEP 為0.41 mmol/L。

圖2 在葡萄糖吸收光譜基頻區(qū)，血液中葡萄糖含量分別為59 mg/dL、371 mg/dL 以及葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液為1 000 mg/dL 時(shí)的光譜圖Fig.2 Spectra of blood(59 mg/dL) ，blood added with glucose(371 mg/dL) ，and glucose standard solution(1 000 mg/dL) in the absorptive spectral range of the glucose

中紅外光譜分析技術(shù)在無創(chuàng)血糖測(cè)量領(lǐng)域的研究，也有近20 年的歷史。日本熊本大學(xué)的K.Kajiwara 等人［29］利用ATR 技術(shù)獲取了口腔黏膜的中紅外光譜，發(fā)現(xiàn)二階導(dǎo)數(shù)譜在1 033 cm-1處的強(qiáng)度值與血糖值存在相關(guān)，并分析了以基線漂移為特征的人體背景干擾問題。德國(guó)的H. Von Lilienfeld-Toal 等人［30］用兩個(gè)輸出波長(zhǎng)為1 080和1 066 cm-1的激光器作光源，測(cè)量前臂處皮膚的光聲信號(hào)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度與血糖值之間的有一定的相關(guān)性。

為了提高人體皮膚的ATR-FTIR 光譜與血糖水平之間的相關(guān)性，日本信州大學(xué)H.Ishizawa 等人［31］用角鯊?fù)橥磕ㄔ跍y(cè)量部位后，再進(jìn)行光譜采集。一方面角鯊?fù)榭梢杂米鲀?nèi)標(biāo)物以校正光譜;另一方面，角鯊?fù)楸黄つw吸收的同時(shí)，皮膚也會(huì)吸收水分。皮膚角質(zhì)層中水分的增加會(huì)削弱角質(zhì)層的屏障功能，使皮膚分泌物更容易到達(dá)皮膚表面，從而增強(qiáng)了ATR-FTIR 光譜中與待分析物吸收有關(guān)的信息，有利于提高分析精度，但沒有獲得突破性的結(jié)果。

中紅外光譜無創(chuàng)血糖測(cè)量方法也同樣面臨巨大困難，面臨的問題可歸納為以下兩個(gè)方面:

(1) 利用ATR 技術(shù)只能識(shí)別皮膚表層不超過5 μm 厚度的光譜，這個(gè)厚度與表皮角質(zhì)層的厚度相當(dāng)，而角質(zhì)層內(nèi)是不含葡萄糖的。因此，利用ATR 技術(shù)進(jìn)行無創(chuàng)血糖測(cè)量，必須破壞角質(zhì)層的結(jié)構(gòu)。

(2) 人體皮膚的中紅外光譜中由葡萄糖產(chǎn)生的吸收信號(hào)非常微弱，從測(cè)量信號(hào)中提取出與血糖相關(guān)的信息非常困難;組織背景的干擾復(fù)雜、多變。近紅外光譜方法存在的問題在中紅外光譜方法中也同時(shí)存在。

4 紅外無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)的最新進(jìn)展

考慮到人體組織背景的干擾問題，研究者們?cè)噲D把組織背景的吸收信息單獨(dú)剝離出去，以避免或抑制人體背景吸收的干擾。本文作者曾提出一種基于血流容積變化的光譜相減法［32-34］。該方法認(rèn)為: 短時(shí)間內(nèi)，人體背景的物理、化學(xué)參數(shù)不會(huì)改變，而血流的容積一直在變。對(duì)于短時(shí)間內(nèi)獲取的不同血流容積下的人體近紅外光譜，通過相減，得到引起容積差異的那部分血液的近紅外光譜，可以消除人體背景帶來的干擾。這一方法要求光譜測(cè)試儀器要有足夠高的信噪比，以保證從得到的純血液光譜中提取出葡萄糖的吸收信息。日本金沢大學(xué)的Y. Yamakoshi 等人［35］基于脈搏變化設(shè)計(jì)并搭建了一套近紅外光譜無創(chuàng)血糖測(cè)量系統(tǒng)，利用該測(cè)量系統(tǒng)，取得了初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；谘苤醒髁砍手芷谛宰兓氖聦?shí)，天津大學(xué)的李剛等人［36］提出“動(dòng)態(tài)光譜”理論，提取出相應(yīng)脈動(dòng)動(dòng)脈血液的吸光度，為無創(chuàng)血液生化成分檢測(cè)的臨床應(yīng)用提供了條件。天津大學(xué)的徐可欣等人［37］提出浮動(dòng)基準(zhǔn)法，該方法選擇吸光度變化量與待測(cè)對(duì)象的濃度變化無關(guān)的“浮動(dòng)基準(zhǔn)”，該基準(zhǔn)處的吸光度變化反映了各種干擾因素對(duì)光譜的影響，因此可以通過內(nèi)部參考對(duì)光譜進(jìn)行修正。該方法的難點(diǎn)在于如何尋找有一定適應(yīng)性的“浮動(dòng)基準(zhǔn)”位置。美國(guó)愛荷華大學(xué)的M.A.Arnold 等人［38］利用凈信息分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)非葡萄糖成分吸收的干擾信息進(jìn)行消除，并且從動(dòng)物的近紅外光譜中提取出了類似葡萄糖吸收的光譜特性，但該方法對(duì)人為移動(dòng)、接觸壓力變化等因素的干擾比較敏感。

還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，用近紅外光譜進(jìn)行無創(chuàng)血糖測(cè)量時(shí)，作為分析目標(biāo)的葡萄糖來自于毛細(xì)管血，而被近紅外光“看見”的葡萄糖來源還包括組織間液( ISF) 。如果ISF 中與毛細(xì)管血中的葡萄糖濃度存在差異，則僅用毛細(xì)管血中的葡萄糖濃度作為參考值進(jìn)行定標(biāo)，勢(shì)必會(huì)影響分析結(jié)果的精度。因此，研究血液與ISF 中葡萄糖含量之間的關(guān)系，有助于減小分析誤差。瑞典P.L?nnroth 等人［39］利用微透析技術(shù)，收集了健康人的皮下ISF，發(fā)現(xiàn)在血糖水平不變的條件下，血漿與ISF 中的葡萄糖濃度高度一致。瑞典哥德堡大學(xué)P.A.Jansson 等人［40］用同樣的技術(shù)，研究了在OGTT 及高血糖癥條件下，血漿與ISF 中葡萄糖濃度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在ISF 與血漿中的葡萄糖濃度之間存在時(shí)間延遲，延遲量取決于葡萄糖的注入速度。美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的J. P. Bantle 等人［41］利用微針技術(shù)獲取了I 型糖尿病人餐前與餐后5 h 內(nèi)皮膚真皮層中的ISF，發(fā)現(xiàn)其中的葡萄糖濃度與血漿中的沒有明顯的差異。美國(guó)的S.N.Thennadil 等人［42］同樣利用抽吸起泡技術(shù)獲取了真皮層中ISF，沒有發(fā)現(xiàn)其中葡萄糖濃度與毛細(xì)管血中的存在差別。

由于葡萄糖從血液滲透到ISF 中需要時(shí)間，當(dāng)血液中葡萄糖濃度變化較快( 如OGTT 實(shí)驗(yàn))時(shí)，血液中的葡萄糖濃度與ISF 中的會(huì)存在差異。但普遍認(rèn)為，ISF 可以代替血液用于血糖水平的測(cè)量。

5 結(jié)束語

無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)的紅外光譜方法研究，至今已經(jīng)歷了20 多年。最初幾年，由于當(dāng)時(shí)近紅外光譜分析在農(nóng)業(yè)、食品等領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用;而無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)又具有重要的科學(xué)意義和社會(huì)需求，加之可預(yù)期的巨大市場(chǎng)，所以許多公司紛紛介入。他們熱衷于申請(qǐng)專利，開發(fā)樣機(jī)，一時(shí)報(bào)紙雜志爭(zhēng)相報(bào)道，似乎已經(jīng)在市場(chǎng)上可以買到這種儀器了。但沒過多久，這股熱潮慢慢冷卻，這主要是因?yàn)榇蠹覍?duì)分析對(duì)象的復(fù)雜性認(rèn)識(shí)不足，研制的儀器所測(cè)得的光譜與血糖濃度變化的相關(guān)性很差。因此，隨后的十多年，許多大學(xué)的科研小組深入進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性研究。如人體組織光學(xué)參數(shù)的測(cè)量，光在組織中傳播行為的描述，各種模擬溶液及人體血液、血清等樣品葡萄糖濃度的定量分析以及定標(biāo)模型研究等。而這些工作，大多是在實(shí)驗(yàn)室利用已有的儀器進(jìn)行的。真正意義上的無創(chuàng)測(cè)量，只有少數(shù)人利用經(jīng)過簡(jiǎn)單改裝的儀器，做了一些工作。到目前為止，這些工作獲得的葡萄糖含量SEP 平均值為: 血清0.5 mmol/L，全血1.5 mmol/L，無創(chuàng)3 mmol/L。

許多研究者總結(jié)無創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)面臨的難題認(rèn)為:首先是被測(cè)對(duì)象為復(fù)雜的人體，光在人體組織中的傳播以及組織中血糖濃度的分布與變化規(guī)律尚未完全把握;其次是血糖濃度變化引起的光譜信號(hào)起伏極其微弱且其特異性差; 人體組織作為光譜測(cè)量的背景，既強(qiáng)且多變而又無力控制，導(dǎo)致測(cè)量條件難以再現(xiàn)，無法實(shí)現(xiàn)背景扣除。

展望下一步工作，無論是基礎(chǔ)研究還是測(cè)量方法、技術(shù)與儀器的研究，都還有很長(zhǎng)一段路程要走。大體上要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行更深入的研究。

(1) 人體組織是一個(gè)對(duì)光高散射、高吸收的物理介質(zhì)，這個(gè)介質(zhì)的光學(xué)參數(shù)在較長(zhǎng)的光學(xué)波段，特別是葡萄糖分子振動(dòng)的基頻區(qū)和合頻區(qū)，還沒有可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)這個(gè)波段的光入射到人體組織時(shí)，漫反射出來帶有吸收信息的光子，主要分布在與入射位置非?？拷膮^(qū)域，這些光子的光學(xué)性質(zhì)、傳輸路徑、光程分布等都需要有進(jìn)一步理論與實(shí)驗(yàn)的精確描述。

(2) 在紅外區(qū)，光對(duì)組織的穿透深度很淺，在葡萄糖分子吸收的基頻波段，穿透深度大約數(shù)十微米量級(jí)，合頻波段數(shù)百微米量級(jí)，第一倍頻波段1 mm 量級(jí)。這些深度表明，光只進(jìn)入人體皮膚的表皮和真皮層。而表皮層不含有血液，只含有組織液;真皮層的下部含有毛細(xì)血管，此處血液和組織液共存。近期發(fā)表的資料［43］顯示，表皮與真皮中的組織液含量分別為15% ～35%，35% ～45%;血漿含量分別為0，0.7% ～9%。對(duì)血液和組織液中葡萄糖濃度的分析表明: 后者能獲得較高的精度，因此利用合頻和基頻波段，使光與組織的作用局限在皮膚的表皮內(nèi)或表皮與真皮的淺層，能獲得較好的結(jié)果。

(3) 角質(zhì)層是人體皮膚的最外層，厚度為微米量級(jí)，它對(duì)表皮中的組織液起對(duì)外滲出的屏蔽作用。因此，應(yīng)該研究如何提高角質(zhì)層對(duì)表皮中組織液的通透性。利用無創(chuàng)傷方法，對(duì)角質(zhì)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，以形成組織液向外滲透的通道［44］。

(4) 血糖變化引起光譜信號(hào)的起伏極其微弱，因此光譜分析儀器的信噪比至關(guān)重要。提高儀器信噪比的一個(gè)主要途徑是提高入射光源的亮度和分光系統(tǒng)的效率，而最有效的辦法是光源采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，目前可調(diào)諧量子級(jí)聯(lián)半導(dǎo)體激光器用于中紅外血糖監(jiān)則已初見端倪。采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器以后，由于光譜寬度只有幾十納米( 合頻) 或幾十波數(shù)( 基頻) ，建立某個(gè)葡萄糖吸收帶的定標(biāo)模型，將有利于抑制背景的干擾。

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