蘇　亞，孟　卓,2，于海民，王龍志，劉鐵根，姚曉天*

(1. 天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院 光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 蘇州光環(huán)科技有限公司，蘇州 215123；3. 江南大學(xué) 理學(xué)院，無錫 214122)

OCT無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)的人體血糖平衡延遲時(shí)間研究

蘇亞1，孟卓1,2，于海民2,3，王龍志1，劉鐵根1，姚曉天1*

(1. 天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院 光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 蘇州光環(huán)科技有限公司，蘇州 215123；3. 江南大學(xué) 理學(xué)院，無錫 214122)

摘要：為了研究在人體血糖快速變化情況下，皮膚組織液糖濃度與血液(指血、靜脈血)中血糖變化的延遲關(guān)系,采用光學(xué)相干層析技術(shù)，通過人體口服葡萄糖耐量測(cè)試和血糖鉗夾實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了隨血糖變化的皮膚光衰減系數(shù)，并對(duì)人體血糖平衡延遲時(shí)間問題做了研究。為了避免由于延遲因素造成預(yù)測(cè)血糖值誤差過大，選擇700μm ~800μm以下皮膚深度的真皮網(wǎng)狀層作為分析計(jì)算區(qū)域。結(jié)果表明，延遲時(shí)間一般隨著皮膚區(qū)域深度的增加而縮短；在不同的皮膚深度區(qū)域，血糖平衡延遲時(shí)間存在一定的差異性。此研究有助于提高光學(xué)無創(chuàng)血糖檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用光學(xué)；光學(xué)相干層析；無創(chuàng)血糖檢測(cè)；血糖平衡延遲時(shí)間

*通訊聯(lián)系人。E-mail：steveyao888@yahoo.com

引言

糖尿病是一種以持續(xù)高血糖為基本生化特征的全身性疾病，它以糖代謝紊亂為主要表現(xiàn)，并可以引起多種并發(fā)癥。如果糖尿病沒有得到足夠的控制，容易引起一些急性并發(fā)癥，如低血糖癥、酮癥酸中毒、非酮高滲性昏迷。血糖檢測(cè)是糖尿病的重要檢測(cè)指標(biāo)之一，為了避免并發(fā)癥的發(fā)生，病人需要實(shí)時(shí)自我監(jiān)測(cè)血糖。目前光學(xué)無創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)主要包括近紅外光譜、中(遠(yuǎn))紅外光譜、光學(xué)相干層析、拉曼光譜、光聲光譜和偏振光旋光等[1-6]。其優(yōu)點(diǎn)是不使用生物有害物，不用刺傷肌體比如采集血液、體液等，可以進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)檢測(cè)。因此, 具有很大的研究和實(shí)用價(jià)值，是今后血糖測(cè)量研究發(fā)展的趨勢(shì)。

光學(xué)相干層析技術(shù)(optical coherence tomography，OCT)是一種基于弱相干原理的非接觸、無損傷成像技術(shù)，分辨率能夠達(dá)到微米量級(jí)。通過測(cè)量皮膚組織內(nèi)部因葡萄糖值不同所引起的光衰減系數(shù)變化，可以計(jì)算其葡萄糖濃度。人體皮膚主要由表皮層、真皮層和皮下組織構(gòu)成。由于各層的組織成分不同，其光學(xué)特性參量隨血糖變化的相關(guān)性、變化量亦有不同。因此需要根據(jù)皮膚組織在深度方向的結(jié)構(gòu)分布做具體分析。而OCT的優(yōu)勢(shì)在于，可以對(duì)皮膚組織不同深度區(qū)域的光學(xué)特性參量變化進(jìn)行精確測(cè)量，從而找到與血糖變化最相關(guān)的組織深度區(qū)域，來進(jìn)行標(biāo)定、預(yù)測(cè)。

在光學(xué)無創(chuàng)血糖檢測(cè)中，通常選用皮膚作為測(cè)量人體血糖的目標(biāo)組織，通過檢測(cè)真皮層內(nèi)組織光學(xué)特性參量變化來計(jì)算血糖值，即測(cè)量的是真皮層組織的血糖變化情況。但一般采用血液(指血、靜脈血)中的血糖作為標(biāo)定參考值。當(dāng)人體血糖在快速變化時(shí)，由于生理因素原因，皮膚組織中的血糖變化會(huì)滯后于指血(末梢血)或靜脈血中的血糖變化[7]，即此二者血糖濃度達(dá)到相對(duì)平衡存在一段生理延遲時(shí)間。這種延遲會(huì)造成光學(xué)無創(chuàng)血糖測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確。對(duì)于高血糖癥或低血糖癥患者來說，這種由于生理延遲所造成的檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確是非常危險(xiǎn)的[8]。所以，在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮到延遲時(shí)間對(duì)于血糖測(cè)量結(jié)果造成的影響。此外，由于人體組織本身就是一個(gè)精密的自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對(duì)于其組織內(nèi)部由血糖變化引起的反應(yīng)，離體組織血糖實(shí)驗(yàn)并不能精確反映其光學(xué)特性參量隨血糖變化規(guī)律。

本文中通過人體口服葡萄糖耐量測(cè)試和血糖鉗夾實(shí)驗(yàn)，主要研究了在人體血糖快速改變的情況下，組織液糖濃度所引起的皮膚光衰減系數(shù)變化與指血(末梢血)、靜脈血血糖之間的延遲關(guān)系。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其延遲時(shí)間做了定量分析。此研究對(duì)于提高無創(chuàng)血糖檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有一定的指導(dǎo)作用。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、儀器及數(shù)據(jù)處理

1.1　實(shí)驗(yàn)儀器及參量

本實(shí)驗(yàn)中所用儀器為美國(guó)Thorlabs公司的OCS1300S高速頻域OCT系統(tǒng)。光源中心波長(zhǎng)1325nm，帶寬100nm，最大成像深度3mm，縱向分辨率12μm，橫向分辨率25μm。實(shí)驗(yàn)中所采集的OCT 3維圖像大小為3.75mm×3.75mm×3mm(x×y×z),每幅3維圖像的采集時(shí)間為8s。為了抑制散斑噪聲，每個(gè)軸向掃描重復(fù)采集4次取平均值。

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)分為2組，第1組采用口服葡萄糖耐量實(shí)驗(yàn)(oral glucose tolerance test，OGTT)，被測(cè)試者為5位健康成人?？诜苡?50mL水中的75g葡萄糖，5min內(nèi)服用完畢。使用羅氏便攜式血糖儀測(cè)量采集的指血作為血糖標(biāo)定參考值。

第2組為血糖鉗夾實(shí)驗(yàn)(glucose clamp)，被測(cè)試者為3位Ⅱ型糖尿病患者。分別在被測(cè)試者雙前臂實(shí)施靜脈穿刺，一側(cè)手臂用于輸入胰島素和葡萄糖溶液，另一側(cè)采血的手臂用加熱型護(hù)手袋包裹，用以采集動(dòng)脈化靜脈血樣。使用生化分析儀測(cè)量采集的血樣作為血糖標(biāo)定參考值。在上述兩組實(shí)驗(yàn)過程中，OCT儀器同步采集手前臂內(nèi)側(cè)皮膚圖像，每幅3維圖像采集間隔20s。

1.3　數(shù)據(jù)處理

由于人體皮膚表面并不平整，因此對(duì)于采集到的皮膚3維圖像，首先需要使用圖像處理算法將皮膚表面進(jìn)行對(duì)齊，之后對(duì)圖像進(jìn)行3維重建。將重建后的3維圖像中所有軸向掃描進(jìn)行平均，以減小實(shí)驗(yàn)過程中散斑噪聲和被測(cè)物位移對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。最后得到歸一化的沿深度z方向的1維信號(hào)光強(qiáng)圖(如圖1所示)。

Fig.1　Normalized 1-D distribution of light intensity in depth

如圖1所示為沿深度z方向的手臂皮膚歸一化1維光強(qiáng)圖，1維光強(qiáng)曲線由3維重建圖中所有軸向掃描平均而得。皮膚表面為歸一化最大值1，表面以下90μm左右深度范圍內(nèi)為表皮層(AB段)[9]；BC段為表皮層和真皮層的交界區(qū)域，由于散射逐漸增強(qiáng)，光強(qiáng)也逐漸增大；C點(diǎn)為第2個(gè)極值點(diǎn)，C點(diǎn)以下為真皮層；CD段為真皮淺層乳頭層，厚度約為120μm；D點(diǎn)以下區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)狀層[10]。

皮膚沿深度方向分布的不同組織層可近似為分段均勻介質(zhì)，根據(jù)比爾-朗伯定律:

式中，μt為光衰減系數(shù)，I表示通過樣品后的光強(qiáng)，I0表示入射光強(qiáng)。干涉信號(hào)到達(dá)光電探測(cè)器的光強(qiáng)可表示為:

式中，Is表示從樣品臂返回的光強(qiáng)，Ir表示從參考臂返回的光強(qiáng)。因此，沿深度z方向的OCT信號(hào)強(qiáng)度可表示為:

式中，A0表示皮膚表面入射光強(qiáng)。(2)式在對(duì)數(shù)范圍內(nèi)可表示為:

g(z)=20lgA(z)=20lgA0-

式中，b為OCT信號(hào)在對(duì)應(yīng)z深度范圍內(nèi)的擬合直線斜率值，且b=-20μt/ln10(μm-1)。因?yàn)?，OCT測(cè)量分辨率在微米量級(jí)，所以:

或:

在光學(xué)無創(chuàng)血糖檢測(cè)中，一般選用真皮層作為測(cè)量人體血糖濃度的目標(biāo)組織。即光衰減系數(shù)反映的是皮膚真皮層組織中的血糖變化，這種變化趨勢(shì)會(huì)滯后于末梢血或靜脈血中的血糖變化。因此，對(duì)于采集血樣時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的由OCT圖像計(jì)算出的皮膚光衰減系數(shù)，由于延遲的原因此二者之間不會(huì)達(dá)到最大相關(guān)性。作者所采用的計(jì)算延遲時(shí)間的方法為，從采集血樣時(shí)刻起，以1min為間隔，逐漸向后計(jì)算光衰減系數(shù)與血糖值的相關(guān)系數(shù)，直到計(jì)算出最大相關(guān)系數(shù)。此時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔，即認(rèn)為是二者之間的延遲時(shí)間。

2結(jié)果與討論

由于皮膚結(jié)構(gòu)及組成物質(zhì)的不同，在不同深度區(qū)域其光衰減系數(shù)與血糖(bloodglucoseconcentration，BGC)之間的正負(fù)相關(guān)性并不相同，因此相關(guān)系數(shù)大小也不一致，一般取值范圍在±1之間[11]。圖2所示為OGTT實(shí)驗(yàn)中，某位被測(cè)試者皮膚光衰減系數(shù)隨血糖變化的趨勢(shì)圖。光衰減系數(shù)計(jì)算的深度區(qū)域?yàn)?00μm~325μm，此區(qū)域位于真皮層上半部的乳頭層，且與血糖變化呈負(fù)相關(guān)性。

Fig.2Attenuationcoefficient(plottedintheinvertedscale)andBGCversustimeforoneofthefivesubjectsinOGTTexperiments

血糖鉗夾實(shí)驗(yàn)和口服葡萄糖耐量測(cè)試，共8名被測(cè)試者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。其中，血糖鉗夾實(shí)驗(yàn)對(duì)象為3名Ⅱ型糖尿病患者，口服葡萄糖耐量實(shí)驗(yàn)對(duì)象為5名健康成人。每位被測(cè)試者計(jì)算血糖平衡延遲時(shí)間所選擇的深度區(qū)域分為兩部分，第1塊區(qū)域靠近真皮層與表皮層交界處，其位置位于真皮層上半部分的乳頭層。第2塊區(qū)域位于真皮層下半部分的網(wǎng)狀層，靠近皮下組織。乳頭層膠原纖維束較網(wǎng)狀層纖細(xì)，但此二層基本組成物質(zhì)相同，均由膠原纖維、基質(zhì)、組織間隙液組成。由于真皮層的物質(zhì)分布不同，光衰減系數(shù)與血糖的正負(fù)相關(guān)性隨深度變化也不同。本文中計(jì)算所得的二者之間最大相關(guān)系數(shù)按絕對(duì)值表示(如表1所示)，即為計(jì)算到延遲時(shí)間點(diǎn)的最大相關(guān)系數(shù)。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于8位被測(cè)試者，其血糖平衡延遲時(shí)間各不相同。這主要是由于人的個(gè)體及生理因素差異所導(dǎo)致。對(duì)于3名Ⅱ型糖尿病患者，其靠近表皮層區(qū)域的血糖平衡延遲時(shí)間為24min~33min，靠近皮下組織的區(qū)域延遲時(shí)間為11min~17min。而對(duì)于5名OGTT測(cè)試的健康成人，對(duì)應(yīng)區(qū)域的延遲時(shí)間分別為12min~41min和2min~34min。雖然兩組被測(cè)試人員血液樣品采集的部位不一致(動(dòng)脈化靜脈血和指血)，但血糖平衡延遲時(shí)間并無明顯區(qū)別。

對(duì)于同一個(gè)人，選擇計(jì)算的深度區(qū)域不同，其對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間也不同。一般越靠近皮膚表層，其血糖平衡延遲時(shí)間越長(zhǎng)。區(qū)域越靠近皮下組織，延遲時(shí)間越短。在靠近皮膚表皮層的乳頭層區(qū)域，平均延遲時(shí)間為28min。而靠近皮下組織的網(wǎng)狀層區(qū)域，平均延遲時(shí)間為13min。其原因可能是由于人體將攝入的食物經(jīng)過消化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為單糖(如葡萄糖等)進(jìn)入血液，通過血管運(yùn)送到全身細(xì)胞，作為能量的來源。因此，皮膚真皮層區(qū)域越深，其組織間隙液與皮下組織血液中的血糖交換速度越快，即其血糖改變速度越接近于血管內(nèi)的血糖變化。故血糖平衡延遲時(shí)間隨著皮膚區(qū)域深度的增加而縮短。從以上分析可以看出，在不同的皮膚深度區(qū)域，血糖平衡延遲時(shí)間具有一定的差異性。對(duì)于OCT無創(chuàng)血糖檢測(cè)，為了避免由于延遲因素造成預(yù)測(cè)血糖值誤差過大，需要結(jié)合皮膚不同深度的相關(guān)區(qū)域?qū)ρ瞧胶庋舆t時(shí)間做具體定量分析計(jì)算。且選擇計(jì)算的皮膚區(qū)域越深，延遲時(shí)間對(duì)于預(yù)測(cè)值的影響越小。

Table 1　Experimental results of OGTT and glucose clamp

3結(jié)論

通過口服葡萄糖耐量測(cè)試和血糖鉗夾實(shí)驗(yàn)，主要研究了在人體血糖快速改變的情況下，組織液糖濃度所引起的皮膚光衰減系數(shù)變化與指血(末梢血)、靜脈血血糖之間的延遲關(guān)系。結(jié)果表明，二者血糖平衡延遲時(shí)間與皮膚區(qū)域的深度有關(guān)。皮下區(qū)域選擇越深，延遲時(shí)間也越短。因此，對(duì)于延遲時(shí)間的計(jì)算，需要針對(duì)個(gè)人及特定深度區(qū)域做具體分析。光學(xué)無創(chuàng)血糖檢測(cè)過程中需要將延遲因素考慮在內(nèi)，以減少對(duì)預(yù)測(cè)血糖值的影響。而關(guān)于預(yù)測(cè)血糖值的計(jì)算，應(yīng)盡量選擇700μm~800μm深度以下，靠近皮下組織的真皮網(wǎng)狀層區(qū)域，以減少延遲時(shí)間的影響。此外，對(duì)比末梢血血糖和靜脈血血糖，此二者與皮膚真皮層組織血糖值延遲時(shí)間并無明顯區(qū)別。

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Study on blood glucose lag time in noninvasive measurement

using optical coherence tomography

SUYa1,MENGZhuo1,2,YUHaimin2,3,WANGLongzhi1,LIUTiegen1,YAOXiaotian1

(1. Key Laboratory of Opto-electronics Information and Technical Science of Ministry of Education, College of Precision Instrument and Opto-electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Suzhou Optoring Ltd. Co., Suzhou 215123, China; 3. School of Science, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Abstract：To investigate the lag of glucose concentration between interstitial fluid of human skin and blood (peripheral blood and venous blood) during rapid change of blood glucose, optical coherence tomography (OCT) was used to measure attenuation coefficient of human skin with the change of blood glucose in oral glucose tolerance test and glucose clamp in vivo. To reduce error in prediction result, the correlation region used to calculate predicted glucose concentration should be selected below 700μm~800μm in dermis layer. The results show that lag time decreases with the increases of depth of human skin. It is demonstrated experimentally that the lag time changes at different depths in human skin. The study can improve the accuracy and reliability of measurement value in noninvasive blood glucose sensing.

Key words:medical optics; optical coherence tomography; noninvasive blood glucose measurement; blood glucose lag time

收稿日期：2014-02-14；收到修改稿日期：2014-04-15

作者簡(jiǎn)介：蘇亞(1980-)，男，博士研究生，主要從事光學(xué)相干層析技術(shù)和生物組織光學(xué)方面的研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家九七三重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010CB327806)；國(guó)際科技合作專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2010DFB13180)；江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(BK20130374)；蘇州市醫(yī)療器械與新醫(yī)藥科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(ZXY2012026)

中圖分類號(hào)：O657.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.01.004