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人体无创血糖测量的研究现状与最新方法.pdf

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 人体无创血糖测量的研究现状与最新方法 代毅,周山宏,陈康 电子科技大学生命科学与技术学院,成都(610054) Email:mrdaiyi@126.com 摘 要:无创血糖检测仪的研制对糖尿病患者自我监控血糖值有着非常重要的意义,本文详 述了当前各种无创血糖检测的技术与原理,分析了每种检测技术的优点和不足之处并且提供 了最新的研究成果。此外,文章还提出了磁共振无创血糖测量的方法,并对这种方法的原理 和可行性进行了分析。 关键词:糖尿病;无创检测;血糖;磁共振 中图分类号:Th789 1 引言 糖尿病(diabetes)是由遗传因素、免疫功能紊乱、微生物感染及其毒素、自由基毒素、精 神因素等等各种致病因子作用于机体导致胰岛素分泌缺陷或胰岛素抵抗(Insulin Resistance, IR:胰岛素是人体胰腺 β 细胞分泌的降血糖激素。胰岛素抵抗是指体内周围组织对胰岛素的 敏感性降低,外周组织如肌肉、脂肪对胰岛素促进葡萄糖摄取的作用发生了抵抗。) 而引发 的糖、蛋白质、脂肪、水和电解质等一系列代谢紊乱综合征。在临床上引起的表现是以高血 糖为特征的代谢性疾病。糖尿病是目前较为普遍的一种内分泌疾病,据世界卫生组织估计, 到 2025 年全世界将有 3 亿糖尿病患者。在我国随着人民生活水平的不断提高,糖尿病的发 病率也呈现出上升趋势,据国家疾病控制中心数据显示,我国的糖尿病患者已经超过三千万。 在临床表现中,糖尿病患者无任何症状,如果未进行血糖测量很难分辨并确诊为糖尿病患者, 等到出现症状时一般已经出现了各种糖尿病慢性并发症,因此血糖的测量对预防和治疗糖尿 病具有十分积极的意义。 本文的主要内容是阐述了目前主要的无创血糖测量方法并对每种方法加以分析,在文章 的最后提出了用磁共振方法测量血糖的可行性说明。 2 无创血糖测量技术的发展与现状 目前市场上常见的自我检测血糖仪产品可分为三大类创血糖检测仪:包括微创血糖检测 仪、无创血糖检测仪和连续式血糖检测仪。目前,大多数自我监控血糖仪采用微创血糖检测 方法。测血糖时,先将试纸插入血糖仪,然后滴血于试纸,血液中的葡萄糖会和试纸上的化 学物质结合产生微小电流,并在一定时间内显示出血糖值,较之尿糖试纸,这种方法具有更 高的准确度并且有着操作简单、操作速度较快等特点。虽然微创血糖监测具有许多优点,但 它们的不便之处也是显而易见的,即检测时采血必须刺破神经密集的指尖,加之针刺的伤口 对糖尿病来说极为不利的,因为糖尿病患者的伤口极易感染,极难痊愈。因此,许多公司和 科研团体都在进行无创血糖测量仪器的研究。下面详细阐述了无创血糖测量的各种方法与当 前的研究进展。 2.1 测量皮下渗出组织液的中血糖浓度的方法 这种方法是通过皮下渗出的组织液进行葡萄糖水平的检测。例如,葡萄糖手表。它是一 种无创血糖值测量的工具,在实际使用中葡萄糖手表测定的并不是血液中的葡萄糖含量,而 是组织液中的葡萄糖水平,其理论依据为血糖值和组织液中的糖糖量基本上是对等的。此表 -1-
中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 在外形上比一般手表略大,在表的背部有渗透液传感器模块用来接触皮肤,此模块包含一个 微弱的电流并且通过微透析技术,利用透出皮肤的皮下组织液,测定其组织液的含糖量。一 种新型研制的葡萄糖检测仪,Cygnus公司的Gluco Watch Biographer[1],利用反向离子电泳技 术,通过对渗出体液的分析,读出血糖值。此仪器可每10min读出一个数据,并可连续记录 13小时,即78个血糖值,当糖尿病患者的血糖过高或过低时一起会自动发出警告声,虽然这 种方法能够无创测量血糖值,但是其测定结果不如微创便携式血糖仪准确,反应也较慢,而 且不能依据一次的测量值就更改药用胰岛素的剂量。所以它并不能代替微创的检测血糖仪, 而只能是作为一种补充。 2.2 微波无创血糖检测法 这种测量方法的基本原理是,首先发射一定频率的微波,根据微波的特性在含有葡萄糖 的溶液中,如果遇到了溶液中的离子特别是钠离子会影响微波的传播路径。这些离子会对微 波产生一定的干扰,例如削弱其振幅并使微波的频谱发生相移。这种影响因为每种葡萄糖溶 液的浓度不同产生不同的变化。因此,选用数个适当频率的微波使其从不同方位通过人体组 织,然后根据检测到的微波的频率和相位以及振幅的变化即可分析人体的血液中葡萄糖浓度 从而达到测量血糖值的目的。微波检测法出了对血糖进行检测还可以无创测量其它物质的含 量,如胆固醇、糖基蛋白质等。虽然微波检测法速度很快,但是当微波通过人体组织时,其 损耗也比较大,这种情况也给微波检测法的应用带来了一定的困难。日本 Kokushikan University Y.Nikawa 与 D.Someya[2][3]等人对微波检测法作了较深入的研究,他们的研究发现 对于人体组织来说,当电磁波在人体中传导是如果低于 10GHz 则其传导损耗较大,而高于 30GHz 的电磁波主要损耗则为介电损耗。 2.3 皮下植入传感器方法的无创血糖测量 这种方法进行无创血糖检测的原理是用一个外表涂有一种可以对酸度变化及时做出正 确反应的聚合物传感器来检测葡萄糖氧化酶的含量。具体的情况是当葡萄糖氧化酶遇到血糖 后会发生一系列的化学反应,此种化学反应会产生一种酸性物质,这种物质会使葡萄糖聚合 物大幅度的膨胀因此就改变了传感器的频率。随之对应于传感器的读数器把这些频率变化对 应的用数字来显示,以此来表示病人血糖水平的变化[4]。据相关研究表明,美国宾夕法尼亚 州立大学已经研制出一种无线微型传感器[5],糖尿病患者只需将这种传感器植于表皮组织之 下,然后根据传感器的电子读数就可以随时监控自身的血糖水平,同时可以向自己的主治医 师传送实时的监测报告。研究小组组长 Craig • Grimes 声称,此种测量方法的一个十分重要 的问题即在没有电线和发动装置的情况下,植入皮下的传感器应该如何工作并向外发出信 号。他们采用的方法是和检测零售商品上电子标签一样的技术,如果贴上标签的产品没有经 过特殊仪器的消磁,那么对应的标签在特殊制定的带有传感器的监测器下就会发出警报, Craig 用一种磁质弹性材料做成了类似于商店检测系统的“传感标签”。这种传感器表面涂 有葡萄糖氧化酶,当这种化学物质遇到葡萄糖时会分解出一种特殊的酸性物质,这种酸性物 质会使传感器膨胀,相应的就改变了传感器的震动频率,频率的改变就会使电子设备得到信 号并且加以显示,从而得到血糖的变化。Medtronic Company 的产品 Continuous Glucose Monitoring System 就是基于这一原理,它应用一个植入式血糖传感器将其植入于皮下组织, 一般情况下医生会将此传感器放在腹壁的皮下组织,因为操作较简单并且能够较准确的得到 信号,通常数据只上传至病人主治医生的计算机里,供医生查阅。这个系统的一个问题是该 -2-
中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 电子植入传感器装置必须经常用常规的有创式血糖仪对其检测结果进行校正,否则上传的数 据会与真实值存在一定的偏差。 2.4 人体的射频阻抗无创测量血糖值 根据射频阻抗的理论,当施加波长比红外线更长的电磁波对人体进行辐射时,因为葡萄 糖是一种非离子可溶性的物质,它将吸收一定频率的电磁波,提取被吸收的频率的电磁波的 特征值,进行定量的分析在理论上是可以由此得出血液的葡萄糖含量的。虽然在理论上这种 测量方法是成熟可行的,但是在实际操作中,因为体液中还含有其他多种非离子可溶性物质, 它们也会吸收电磁波,因此如何对应频率的葡萄糖吸收特征值分离及提取,得到确定的谱线 分析是这种方法能否实际操作的关键。Megnetic Diagnotics 公司的 Multi-analyte Meter [6]就 是利用这一理论设计出来的一种无创血糖检测装置。该项目的设计者试图用一种类似核磁共 振成像原理的装置,对糖尿病患者的手指或其他部位采集到的血液用射频阻抗方法来进行分 析。但目前该项目仅处于试验室研究阶段,相关资料未表明何时能进展到临床试验阶段。 2.5 利用能量守恒原理进行无创血糖的测量 人体内物质代谢过程就是能量代谢的过程[7][8],葡萄糖作为人身体主要的能源供给物质, 在氧气供应充足的情况下,肌体内会产生下列化学反应:  H O CO ATP  C H O O 6 2   12 6 2 2 在这个化学方程式中,作为主要能源物质的葡萄糖的浓度变化会相应地引起人体代谢的 变化,从而影响到人体体温等生理参数发生变化。因此 Ok Kyung Cho[9]等人做出以下假设: ①人体产热=人体散热;②人体处于静息状态,对外做功等于 0;③人体所产生的热量可以 通过血糖浓度和氧容量等生理参数来进行描述;④氧容量取决于血红蛋白浓度、血氧饱和度 和毛细血管的血流量;⑤散热主要方式是热传导、热对流和热辐射。根据以上的五种假设, 又依据能量守恒原则可得出以下结论:代谢产生的热量是血糖水平和氧容量的函数,氧容量 是动脉血氧饱和度及血液流速的函数,脉搏跳动率作为一个参数来修正,因此只要测量出代 谢产生的热量、血液流速、血氧饱和度和脉率就可以推算出人体血糖的水平。用这种方法测 量人体血糖值,首先是采用相关理论建立人体表面对流换热的数学模型,根据人体热平衡数 学模型,计算出人体局部(例如手指)代谢率,然后根据改进的热清除法计算出人体局部的血 流速度,最后根据能量守恒建立其整体的数学表达式[10]。有关详细实现的流程图如下: -3-
中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 1 能量守恒方法测量流程图 Fig1 Flowchart of energy conservation measurement methods   2.6 利用唾液进行无创血糖检测 此种方法利用唾液进行葡萄糖含量的检测。一些临床医学研究数据表明血糖浓度与唾液 中所含的淀粉酶成正比,所以通过测量人体口腔中唾液含淀粉酶的多少能够间接地知道被测 体血糖浓度的高低。这种血糖的检测方法最主要的技术难关是对高灵敏度、高特异性的试纸 进行开发,并且对检测装置的灵敏性也有较高的要求。第三军医大学的马显光等[11]利用了 这一原理进行了无创血糖的检测,首先通过发光二极管发出一定波长的光,照射在用唾液特 殊处理的试纸上,再经过线性度和稳定度都很好的光敏二极管来接收试纸反射的光,最后经 过一系列信号处理后,送入显示器显示血糖浓度的相对高低。通过这一试验表明,用唾液检 测人体血糖浓度的相对变化基本呈线性,稳定度和灵敏度较高,操作使用方便。但是从试验 数据看出结果有一定的离散性,这可能是主要由于某些元件的噪声干扰造成的,如果将仪器 完成开发并用于临床还需要进一步的改进。详细的系统实现图如下: 图 2 唾液测量系统流程表 Fig2 Flow chart of Saliva measurement system   2.7 超声波血糖检测仪 -4-
中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 超声波血糖检测仪的原理是使用超声波发射仪器向皮肤发出一个低频超声光束,因为超 声光束对人体内不同物质的穿透性,利用超声回波的反射结果就可以知道血液中葡萄糖分子 的含量。美国研究人员新近研制成一种无痛测量糖尿病患者血糖值的超声波检测仪器,这种 超声测试仪的准确率几乎与传统的采血检测法相似。由于是无痛测试,该仪器受到了糖尿病 患者的普遍接受。此仪器利用糖尿病患者的超声波反射值的不同来定量检测人体的血糖含 量,并可在 4 小时内每 15 分钟测量一次。虽然仪器准确高效,但是其结果的稳定性并未得 到相关医疗部门的认可。 2.8 聚光断层摄影(Optical coherence Tomography) OCT 技术在 1991 年由 Fujimoto 等人提出后,广泛用于医学影像及诊断[12]。这种技术的 原理是利用光线的聚集来对皮肤作断层扫描摄影,摄影后的结果会显示出不同组织的不同葡 萄糖含量,因为每种组织中所含的葡萄糖有着不同的聚光折射指数从而能算出被测体的血糖 值。研究表明,高解析度的聚光断层摄影技术可探测毫米级深度的组织,以此来减少表皮层 对讯号的干扰。一项对健康受试者的研究表明,血液游离葡萄糖值的变化与 OCT 讯号有很 大的相关性,并且对血液葡萄糖含量的变动非常敏感,但是其对测量值的稳定性还需在糖尿 病患者身上作进一步的研究。 2.9 旋光法无创血糖测量 旋光法无创测量血液葡萄糖值是根据光的偏光特性,通过测量透射光(或反射光)的偏转 角,来得出人体的血糖浓度。其理论依据如下式:  LC   ,p   T  H T 其中 H 为特征偏转角,是测量的偏转角, C 为葡萄糖的浓度, L 为所测量的  ,p 光程长。美国 Texas A&M 大学的 Cote Gerard L[13][14]所属的课题组在旋光发无创测量血糖上 做了大量的工作,他们首先利用旋光法对眼球前房自由水中的游离葡萄糖进行定量的检测, 根据偏振光通过含有右旋葡萄糖的溶液时偏振光的接收偏振面会发生与葡萄糖浓度成比例 的偏转的原理,来测量偏振光的偏转角度从而得出人体的血糖浓度。该方法的不足之处在于 测量用的偏转角一般仅会发生微小的偏转从而导致了测量难度的加大,并且在自由水中的其 它成分如蛋白质也会因为偏振光的影响而产生旋光效应,这些因素都会导致测量的偏差。此 外,由于人眼测量的实现难度较大,患者不易接受,该方法目前尚无突破性的进展。  2.10 光声光谱法与激光拉曼光谱法测量血糖 光声光谱测量方法的原理是利用近红外激光脉冲与人体组织间的相互热作用而测量温 度变化从而反映人体组织成分的一种方法。首先将近红外激光脉冲射入人体,人体组织的内 部结构会由于不同种成分的分子对光的吸收作用不同而导致细微的局部变热,当温度持续升 高引起快速的热膨胀后,放置于组织表面的温度和压力传感器就能检测到超声压力波,即光 声信号。利用不同组织成分散发出的光声信号的幅度与频率的不同关系就可以检测出组织内 部某种特定成分的含量。该方法具有灵敏性较高的特点,但其对组织内部结构的变化比较敏 感,因而需要一个高灵敏度的体外传感器对检测器。目前,光声光谱方法在离体研究方面非 常活跃,但研究成果仅有少量发表[15][16][17]。当激光拉曼光谱作用于葡萄糖时会发生拉曼散 射效应[18],即产生微弱的斯托克斯线(stokes line)和反斯托克斯线(antistokes line)。按照光量 -5-
中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 子理论[19],当入射光子和一个处于初态能级的分子作弹性碰撞后,光子与分子之间根据动 量定理将发生能量交换,光子不仅会改变运动方向,还把一部分能量传递给被碰撞的分子, 或从分子取得一部分能量用于本身的运动方向改变。由于拉曼散射光与瑞利散射光的频率之 差(拉曼位移)和被撞分子的振动频率与所处能级有关,因此拉曼位移是表征物质分子振动与 转动能级的一个物理量。激光拉曼光谱法就是利用该原理测得拉曼光谱的数据从而分析得到 人体血液中葡萄糖的浓度。但是该方法有很多限制因素,由于生物组织的吸收和散射效应, 普通的测量方法对检测拉曼信号极其困难,另外激光效应下产生的蛋白质类分子的背景荧光 信号强度常常与拉曼信号相当。所以拉曼方法一般选用眼前房作为最佳测量部位,因为对眼 睛的安全辐射剂量限制很大,导致入射光能较小,使能检测到的拉曼信号更加微弱。因此目 前的研究状况显示,应用拉曼光谱方法对人体内成分检测领域的研究还处于起步阶段。 2.11 红外光谱法无创血糖测量 红外光按波长不同可划分为若干个区域,波长 780nm~2500nm 的区域称为近红外区, 波长 2500nm~25000nm 的区域称为中红外区。在目前的无创血糖测量方法中红外光谱法是 目前使用最广泛的无创血糖测量方法,主要通过人体对近红外线、中红外线或远红外线的分 析,从频谱中提取血液的葡萄糖含量。 ①中红外光谱法(MIR): 在中红外波段葡萄糖的吸收受到其它物质的干扰量小,但由于水的强烈吸收,中红外光 很难穿过皮肤进入内部组织,因而采用测量其热辐射光谱。 美国加州大学的 David C.Klonoff[20]等人通过对中红外光谱研究认为中红外是进行人体无创 血糖测量的最佳波段,他们的研究方法是把人体看作辐射黑体,并通过降低所测量局部的温 度,打破吸收与辐射的平衡,得到葡萄糖的吸收光谱(中心点为 9.7μm)。其假定模型为: S B   T h  g T T 2   其中 h 是普朗克常数,为角频率,为波尔兹曼常数, T 是组织表面与内部的温度 S 差 , T 为 环 境 温 度 , g 是 有 效 温 度 梯 度 内 的 光 程 长 ,  是 总 的 光 程 长 , B (signal-to-background ratio)是葡萄糖信号与其它光的比值。通过上述表达式对测得的光谱进 S 行分析,从而得出人体血糖含量[21]。研究结果表明:在 B 为 10000∶1 的情 T   , 015 C 况下,葡萄糖测量平均预测误差为 24.7mg/dL。 ②近红外光谱法(NIR) 电磁波谱的近红外区为 0.7~2.5μm,在该区域内,对于近红外光谱来说体液和软组织相 对透明即穿透力强,而对葡萄糖油较弱的穿透能力所以是较为理想的检测光谱段。近红外无 创血糖检测技术具有无痛楚、无感染危险、测量快速、无须任何化学试剂或消耗品等优点。 血糖近红外光谱定量分析的关键就是建立光谱数据和血糖度的关联关系。近红外光谱应用于 血糖定量分析的方法是先选取一组具有代表性的、已知血糖浓度的样品作为校准集,测量出 其近红外光谱,建立血糖浓度与近红外光谱之间的定量数学模型(校准模型);再取另一组已 知血糖浓度的样品作为预测集,将预测样品的近红外光谱书记代入校准方程,得到样品的预 测值,用预测值和化学测定值的相关系数和相对标准偏差来衡量所建模型的可靠程度;然后 用稳定可靠的模型来对未知样品进行测定。样品采集的波段直接影响模型建立的效果,光谱 数据的预处理和所采用的化学计量学方法是提高信噪比获得好的分析结果的关键。其理论依 -6-
中国科技论文在线 据如公式所示的朗伯-比尔定律: 则吸光度为  I  L I e  - c 0   A   L c   ln I I 0         http://www.paper.edu.cn 式中, A 为介质的吸光度,   质的吸光系数,c 为介质的浓度。 0I  ,   I  分别为介质的入射光强和出射光强,为介 当被测介质为含有 n 中组分的溶液,假设仍然满足朗伯-比尔定律,它在介质的组成成 分与其光谱之间就会建立简单的线性关系。     A =  i cL i 式中, i 为第i 种吸收物在特定波长下的吸光系数; ic 为相应介质的浓度;L 为光程长。 由该定律可知,样品的吸光度与待测成分浓度之间具有很好的相关性,样品成分的浓度 变化会引起光谱特征吸收的变化。 测量基本流程如图所示: Fig3 Flow chart of Blood glucose measurement system by Near Infrared Spectroscopy 图 3 近红外光谱血糖测量系统流程图   首先入射近红外光于指定的测量部位,然后接收并测量由组织扩散反射或透射的光能 量,得到扩散反射光谱或透射光谱,根据比尔定律提取所需的信息,利用近红外光谱数字分 析技术处理后计算待测成分的浓度。 目前,国际上有数十个科研机构正在开展近红外无创血糖仪的研究。德国的 H.M.Heise 研究组、美国 Ohio 大学 G.W.Small 研究组、Iowa 大学 M.A.Arnold 研究组、桑迪亚国立实验 室与新墨西哥医科大学 Haland 研究组在这方面进行了大量的基础性研究[22][23][24]。 国内的研究虽然起步较晚,但对人体内无创近红外光谱检测技术也有数个研究小组进行了深 入的展开。天津大学李晓霞[25][26]等提出了基于光电容积脉搏波的产生机理和傅立叶变换的 检测血液成分浓度的方法—动态光谱的频域提取法,这种方法可以消除测量中由于皮肤组织 和肌肉组织产生的大部分差异,从理论和实验两个方面说明了这种方法的优点,并通过实验 -7-
中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 直接提取了各波长中仅由血液成分产生的吸光度光谱图。针对人体内成分无创近红外光谱测 量中,动脉血液的散射对于动态光谱测量的影响的问题,首次提出了基于动脉血厚度变化的 蒙特卡罗模型。并仿真研究人体内成分无创近红外光谱检测中动脉血管厚度变化及其他组织 厚度变化时接受光能量的变化情况,并从实验方面做出了证明。该方法对于近红外光谱无创 检测血液成分的实际应用有着重要意义。 中国科学院长春所的张红艳等[27][28]在对此项技术进行理论分析的基础上,建立了以 Nicolet 公司的 Nexus870 高精度傅立叶红外光谱仪为核心的近红外光谱分析测试系统,在国 内首次对人体血糖检测进行了系统的研究。分析了葡萄糖粉末近红外光谱特性和光程长对排 除水的吸收影响的效果,并以葡萄溶液为例详细研究并分析了近红外血糖检测的波段范围、 数据的预处理方法和建模所采用的化学计量学方法,选择了含有葡萄糖吸收的 7500~ 8500cm-1 和 5500~6500cm-1 作为全谱分析区域,初步确定了基线校正、平滑和求导的光谱 数据的预处理方法及最小二乘的建模方法。在此基础上通过对葡萄糖溶液、离体的血浆和全 血及正常人实际的血清和全血进行了建模分析,进一步确定了血糖无创检测的建模波段和数 据的预处理方法。张红艳等将血糖的离体检测和在体检测结合起来,采用全谱分析,并结合 人体糖代谢的规律,进行了人体血糖的无创检测实验研究,通过对结果的分析得出人体血糖 无创检测建模的最佳波段为 7500~8500cm-1 和无创测量的最理想位置是带有静脉的手腕处, 其研究成果目前在国内处于领先。 由于近红外方法测量血糖需要时常校正,并且测定的结果易受个体因素的差别如水分、 脂肪、皮肤、肌肉、骨骼、服用之药物、血色素浓度、体温及营养状态等影响导致光波的吸 收谱线大不相同。所以如何分析处理人体不同的组分带来的误差干扰是限制红外光谱无创血 糖测量精度的主要因素之一,往往其检测结果仍然难以令人满意。 3 核磁共振方法无创血糖测量的研究 本课题组利用核磁共振方法提出了一种新的无创血糖测量方法,目前该种方法在国内外 的研究报告中尚未发现。磁共振无创血糖测量方法主要是根据核磁共振的定量分析技术,发 射一定频率的射频脉冲对人体血液中的 H 原子产生共振,提取其共振信号即自由衰减信号 (FID),将自由衰减信号进行信号放大滤波的处理后送入计算机进行数字信号处理,得到 H 原子的全频域共振的谱线,找出葡萄糖分子(C6H12O6)的共振谱线,对其积分后可以得到血 液中的葡萄糖分子的含量。这种方法进行无创血糖测量能够快速准确的得到血糖值,并且磁 场不会对人体产生任何危害。下面是利用 10T 场强的磁共振谱线仪测出的葡萄糖分子的频 率谱线已去除水峰,其中拉莫尔共振频率为 399.65MHZ。 -8-
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