王 磊，劉貴棟，陳春睿，劉 歡

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150030；2.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150081；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

糖尿病是一種嚴(yán)重威脅人類身體健康的代謝性疾病，其主要特征為高血糖。胰島素的分泌缺陷或其生物作用被破壞，或兩者兼有，是引起高血糖的主要原因。血糖檢測(cè)對(duì)患者控制血糖有極其重要的意義，無創(chuàng)血糖檢測(cè)具有安全、快捷、無痛苦等諸多優(yōu)勢(shì)，且極具發(fā)展?jié)摿?。在各類無創(chuàng)檢測(cè)中，研究熱點(diǎn)主要集中在檢測(cè)原理、部位及對(duì)數(shù)據(jù)建模和相應(yīng)處理算法等方面。由于血糖的測(cè)量方法與部位不一樣，數(shù)據(jù)建模也存在一定的差異，因此，它們之間是互相影響和制約的。目前，檢測(cè)主要有光學(xué)和非光學(xué)兩個(gè)方向。由于光作為一種無創(chuàng)檢測(cè)的理想信息載體有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)高速、高精密等特點(diǎn)，所以，該檢測(cè)手段具有較好的應(yīng)用前景和重要的研究意義。當(dāng)前，光學(xué)檢測(cè)方法包括以下幾種。

1 拉曼光譜法

當(dāng)一定頻率的激光照射到物體表面時(shí)，一部分能量會(huì)被分子吸收并產(chǎn)生散射的現(xiàn)象，這就是拉曼效應(yīng)。它適用于水溶性的透明介質(zhì)樣品，通過測(cè)量透射前后光的頻率就可以得到所測(cè)樣品的拉曼譜線。因此，可以利用這個(gè)方法對(duì)不同濃度的葡萄糖進(jìn)行定量分析，以獲得不同的譜線。這種方法適用的檢測(cè)部位為眼前房，但眼部限制入射光的強(qiáng)度，無法使用較大的光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，因此，檢測(cè)到的光譜信號(hào)會(huì)比較微弱。利用該方法測(cè)量水溶液生物樣品具有很好的相關(guān)性，這是因?yàn)樗睦⑸浜苋?。另外，譜峰清晰、尖銳是拉曼光譜的一大特點(diǎn)，所以，拉曼光譜法具有很好的應(yīng)用前景。Enejder等[1]通過采集來自經(jīng)皮的血糖值和其相應(yīng)的拉曼光譜對(duì)無創(chuàng)檢測(cè)的方法進(jìn)行了較為成功的研究，采集的血糖值為標(biāo)準(zhǔn)值，拉曼光譜的數(shù)量為461個(gè)，利用最小二乘法對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到的校準(zhǔn)平均絕對(duì)誤差為（7.8±1.8）%.拉曼光譜法對(duì)血糖無創(chuàng)檢測(cè)的可行性被此次研究結(jié)果所證明。

2 熒光法

血液中含有部分通過輻射能夠在激發(fā)態(tài)發(fā)射熒光的基團(tuán)[2]，這些基團(tuán)所發(fā)出的熒光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度會(huì)因?yàn)檠獦拥牟煌嬖诿黠@的差異。分析此差異，可以測(cè)算不同的血樣，進(jìn)而獲得葡糖濃度。但是，采用這種方法分析時(shí)有一定的難度，這是由于分辨率、生物適應(yīng)性等問題。另外，人體血液成分復(fù)雜，導(dǎo)致熒光的內(nèi)容復(fù)雜，因此，利用熒光對(duì)血糖進(jìn)行分析得到的結(jié)果也較為復(fù)雜。凌明勝等[3]通過實(shí)驗(yàn)采集血清和全血樣品的熒光光譜，實(shí)驗(yàn)中所用的樣品中含有紅細(xì)胞溶液和葡萄糖，利用不同濃度的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分析測(cè)量的全血光譜圖，得到的結(jié)果是在720～730 nm附近產(chǎn)生了明顯的熒光特征峰，改變葡萄糖濃度，血清和全血樣品的熒光光譜圖中的峰值強(qiáng)度在此位置上也發(fā)生規(guī)律性變化。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，血液中的血細(xì)胞造成了光譜圖中的特征峰，其范圍是在720 nm附近；葡萄糖造成另一個(gè)特征峰，這個(gè)特征峰發(fā)生在730 nm附近。此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果為無創(chuàng)血糖熒光檢測(cè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3 光學(xué)相干層析成像法

光學(xué)相干層析成像法是主要用于研究體腔淺表組織成像的方法，這種方法是近年來才逐漸成熟的新型成像技術(shù)。目前，此技術(shù)的分辨率能夠達(dá)到10 μm。采用這個(gè)方法可以間接測(cè)量血糖濃度，由于測(cè)量時(shí)直接測(cè)量的是人體真皮組織的散射系數(shù)，真皮組織中含有大量的微血管網(wǎng)絡(luò)，微血管中的葡萄糖濃度的變化會(huì)導(dǎo)致散射系數(shù)的變化，所以，散射系數(shù)還會(huì)受到人體組織中其他一些成分的影響，從而改變測(cè)量結(jié)果。例如，在葡萄糖濃度不變的情況下，如果組織的折射率發(fā)生變化，則光的散射系數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，而這種現(xiàn)象與上述的血糖濃度與散射系數(shù)之間的相關(guān)性沒有直接的聯(lián)系。這一問題的出現(xiàn)使得此項(xiàng)技術(shù)的臨床應(yīng)用面臨許多問題，還有待進(jìn)一步研究。

4 光聲光譜法

光聲信號(hào)的幅度與吸收系數(shù)存在一定的關(guān)系，所以，可以利用此方法測(cè)量血糖。測(cè)量的方法是，將檢測(cè)器放置于組織表面，由于組織內(nèi)部血糖分子對(duì)光的吸收使局部的溫度略微升高，由此引起快速的熱膨脹，熱膨脹使超聲壓力波，即光聲信號(hào)可以被檢測(cè)到。相比于之前提到的光學(xué)相干層析成像法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是被干擾性小。雖然此方法發(fā)展前景比較好，可根據(jù)測(cè)量結(jié)果度推算得到真實(shí)血糖水平，但必須要改進(jìn)此方法的重復(fù)性和靈敏度。目前，有研究人員對(duì)上述方法進(jìn)行了改進(jìn)，利用近紅外激光脈沖照射樣品，采集產(chǎn)生的光聲信號(hào)。針對(duì)噪聲比較高的問題，提出了一種小波閾值函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪，同時(shí)，利用上平移不變式算法處理采集到的信號(hào)，處理前后的信噪比27.365 8/44.706 0，均方根、誤差也得到了有效降低，光聲光譜信號(hào)也更加平滑[4]。

5 近紅外透射法

近紅外光譜技術(shù)利用分子本身與分子之間的化學(xué)鍵在接收能量后會(huì)發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)具有合頻和倍頻。葡萄糖分子中C-H、N-H、O-H等化學(xué)鍵波長(zhǎng)在700～2 500 nm近紅外光譜區(qū)內(nèi)的振動(dòng)信息十分豐富，同時(shí)，譜線特征也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。利用近紅外光譜法測(cè)量血糖的方法是，先測(cè)量已知樣品或受試者的葡萄糖濃度，同時(shí)獲得近紅外光譜，然后利用測(cè)得的數(shù)據(jù)建立與樣品相匹配的數(shù)學(xué)模型，并利用該模型對(duì)葡萄糖濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)。近紅外光譜法（near infrared，NIR）是目前研究取得最顯著進(jìn)展的方法，此方法的部分實(shí)驗(yàn)成果已進(jìn)入在體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)階段。Katsuhiko等[5]利用一組近紅外發(fā)射光纖和探測(cè)光纖進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的位置是相距患者手臂皮膚表面0.65 mm處，得到了組織中葡萄糖的近紅外光譜信息，根據(jù)測(cè)得的結(jié)果對(duì)血糖值進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)的結(jié)果與真實(shí)血糖值相對(duì)比，相關(guān)系數(shù)為0.928，標(biāo)準(zhǔn)誤差為32.2 mg/L。Wolfgang等[6]為檢測(cè)房水中葡萄糖的含量，提出采集透過角膜后經(jīng)過前房房水反射回的近紅外光來進(jìn)行測(cè)量，預(yù)測(cè)的生理葡萄糖含量與實(shí)際值相差比較小。Ooi等[7]嘗試用漫反射方法測(cè)量，測(cè)量的方法是使用一組特定波長(zhǎng)的發(fā)光二極管作為發(fā)射光源測(cè)量經(jīng)過漫反射后的近紅外光譜信號(hào)，同時(shí)，還測(cè)量手指的溫度信號(hào)，使用的建模方法是偏最小二乘法，從而實(shí)現(xiàn)血糖無創(chuàng)檢測(cè)。在實(shí)際人體測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，校準(zhǔn)模型的標(biāo)準(zhǔn)誤差為±13.14 mg/dL。

此外，近紅外無創(chuàng)血糖檢測(cè)的一些基礎(chǔ)問題由相當(dāng)部分的學(xué)者進(jìn)行研究，這方面的研究也有一定的成果，這些研究為后續(xù)的深入研究奠定了理論基礎(chǔ)。Kye等[8]研究了近紅外光的2種測(cè)量方式，即反射測(cè)量方式和透射測(cè)量方式。哪一種更適合血糖無創(chuàng)檢測(cè)呢？初步結(jié)果表明，采用透射測(cè)量方式取得的效果比反射測(cè)量方式更好。

［1］朱磊.無創(chuàng)血糖檢測(cè)與胰島素劑量控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

［2］王磊，劉貴棟，劉麗，等.健康和糖尿病大鼠紅細(xì)胞熒光光譜非線性程度差異［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2016，36（10）：3028-3031.

［3］吳云江.近紅外無創(chuàng)血糖檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2015.

［4］陳真誠(chéng)，張楊，徐北平，等.近紅外無創(chuàng)血糖檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2016，35（5）：103-106.

［5］楊星.基于近紅外透射法的血糖無創(chuàng)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［D］.重慶：重慶大學(xué)，2012.

［6］劉一飛，趙文麗，毛曉波，等.無創(chuàng)人體血糖光學(xué)檢測(cè)技術(shù)研究與展望［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2013（14）：35-37.

［7］Komal L.Design and Development of Infrared LED Based Non Invasive Blood Glucometer［J］.IEEE，2015.

［8］Chennai.Non-invasive tracking and monitoring glucose content using near infrared spectroscopy［J］.IEEE，2015.