（光学工程专业论文）OCT应用于人体血糖无损检测的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 糖尿病是影响人类身体健康的一大疾病，定期、频繁地检测人体 血糖含鼍对糖尿病人来说至关莺要。目前已有大量的研究机构投入无 损血糖检测的研究，他们提出多种不同的光学方法来无损检测人体血 糖，但是这些方法存在低灵敏度、低精度等缺点，而且都未得到临床 应用。光学相干层析( o c t ) 作为一种新技术，已经被用在对组织体 的高分辨率无损层析成像上，方便了一些疑难病症的诊断和治疗，如 青光眼、癌症等。相对其他方法，o c t 有高分辨率和层析检测的特点， 能够精确地测量组织体特定层的散射信息。 本文提出用o c t 实现人体m 糖无损检测的新方法。论文详细讨论 了生物组织的光学特性，分析了血糖浓度变化引起组织体散射系数变 化的机理，用聚苯乙烯悬浊液建立人体组织散射模型，并通过多组实 验，验证o c t 方法对人体血糖无损检测的可行性。实验结果表明，o c t 系统能够分辨散射模型0 5 的折射率变化，初步达到了血糖检测的 精度要求。实验获得人体皮肤的活体o c t 图像，为下一步的活体实验 做准备。本文最后总结了论文的研究成果，并展望了血糖无损检测方 法的未来发展方向。 关键词：o c t ；血糖；无损检测 浙江大学硕士学位论文 a b s r a c r a b s t r a c t d i a b e t e si sac h r o n i cd i s e a s et h a ti n f l i c t sp e o p l e sh e a l t ha l la r o u n dt h ew o r l d i ti s v e r yi m p o r t a n tf o rt h eh e a r ho ft h ed i a b e t e sp a t i e n t st om e a s u r et h eg l u c o s el e v e l f r e q u e n f l ya n dr o u t i n e l y t h e r eh a v eb e e ne n o r m o u se f f o r t sb ym a n ys c i e n t i f i cg r o u p s t om o n i t o rg l u c o s ec o n c e n t r a t i o nn o n - i n v a s i v e l yu s i n gd i f f e r e n to p t i c a lt e c h n i q u e s h o w e v e r , t h e s et e c h n i q u e sf a c el i m i t a t i o n sb e c a u s eo ft h e i rl o ws e n s i t i v i t ya n d a c c u r a c y o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ( o c t ) ，h a sb e i n ga p p l i e df o rn o n - i n v a s i v e t o m o g r a p h yi m a g i n go ft i s s u ew i t hh i g hr e s o l u t i o n ，m a k i n gi te a s i e rf o rd i a g n o s i n g s o m et e n a c i o u sd i s e a s e sl i k eg l a u c o m a , c a n c e r , e t c c o m p a r i n gt oo t h e ro p t i c a l t e c h n i q u e s ，t h eh i g hr e s o l u t i o na n dt o m o g r a p h yi m a g i n ga b i l i t yo fo c t a l l o wt h e e x c e p t i o n a l l ya c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h es c a t t e r i n gp r o p e r t i e sf o rs p e c i f i cl a y e ro f t i s s u e i nt h i sa r t i c l e ，ip r o p o s e dan e wm e t h o do fm e a s u r i n gt h ec o n c e n t r a t i o no f g l u c o s eb yd e t e c t i n gt h ec h a n g e so fs c a t t e r i n g c o e f f i c i e n to f s k i nu s i n go c t t e c h n i q u e t h eo p t i c a lp r o p e r t i e s o ft i s s u ea n dt h em e c h a n i s mo fg l u c o s e c o n c e n t r a t i o ni n d u c e dc h a n g e so fs c a t t e r i n gc o e f f i c i e n ta r ed i s c u s s e d ap h a n t o m ( p o l y s t e r e n em i c r o - s p h e r es o l u t i o n ) i sd e v e l o p e dt os i m u l a t et h eo p t i c a lp r o p e r t i e so f s k i n s e v e r a le x p e r i m e n t sa r ec a r d e do u tt ot e s tt h ef e a s i b i l i t yo fu s i n go u ro c t s y s t e mt od e t e c tt h es m a l lc h a n g e so fs c a t t e r i n gc o e f f i c i e n ti np h a n t o ms o l u t i o n t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a to u ro c ts y s t e mi sa b l et h ed e t e c t i o na ss m a l la so 5 c h a n g eo fr e f r a c t i v ei n d e xo ft h es o l u t i o n i n - v i v oo c ti m a g eo ft h eh u m a ns k i ni s o b t a i n e da n da n a l y z e d ，p r e p a r i n gf o rt h ef u t u r ei n - v i v os t u d yo fh u m a n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ed i s c u s s e da n d f u t u r es u g g e s t i o n so fr e s e a r c h i n ga r eg i v e no u t f i n a l l y , i ti sc o n c l u d e d t h a to c t t e c h n i q u eo f f e r san e wp r o m i s i n gd e t e c t i o nm e t h o d f u rn o n - i n v a s i v eg l u c o s em o n i t o r i n g k e y w o r d s ：o c t , g l u c o s e ，l i o n - i n v a s i v ed e t e c t i o n l l 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一章 绪论 超声波、x 射线、核磁共振等传统技术已经被广泛用于医学图像诊断和检测 领域，新技术也层出不穷，如p e t ( p o s i t r o ne m i s s i o nt e c h n i q u e s ，中子发射 技术) ，可以解决许多以前影像检查方法无法解决的问题，如癌症的早期诊断。 但是这些技术都存在各自的局限性：超声波检查分辨率比较低，只能达到毫米量 级，而且不能提供任何有关组织体化学成分的信息；x 射线检查不能准确探测出 初期的肿瘤块，而且高能量的照射会使人体组织电离而产生伤害；核磁共振成像 虽然空间分辨率较高，且能探测特殊的组织化学物质，但是其费用极其昂贵，不 利于常规应用。在过去的几十年中，研究人员逐渐提出将光学方法应用在各种不 同的生物医学仪器中。相对于前面提到的几种技术，光学方法具有安全、无损、 简单的特点，并且能够实时地得到高反差的组织体图像，从而方便医生对病人的 诊断和治疗。 应用于医学图像诊断和检测的光学方法主要基于光的散射，折射，光谱吸收 以及干涉等，这些方法包括：光谱法，偏振法，时域频域谱分析，散斑衍射，相 干层析，相位显微和共焦显微技术，部分相干衍射和层析技术等。它们具体在医 学中的应用有：血氧含量检测，癌症诊断和定位，内窥镜检查，活体检查，组织 体人工培养等。 光在组织体中的穿透深度随波长变化而不同，从紫外线和红外波长的几微米 的量级到近红外波长的几毫米的量级。由a n d e r s o n 和p a r i s s “1 提出的生物体诊 断窗口是包括了从6 0 0 h m 到1 3 0 0 h m 的可见和近红外波段。大多数的组织体在该 波段没有特征吸收的色素，如图1 1 ，在这个波段区域内散射比吸收要明显得多， 而且光能到达的最深的深度约为8 l o m m 。 塑里奎! ! ! 生兰堡堡奎 篁二童丝堡 图1 1 生物组织体中的色素吸收光谱 光学无损检测在生物医学中的意义重大：高分辨率、高灵敏度、高精度的生 物组织无损检测，可以帮助提高对多种疾病的诊断精度和治疗效果。例如，对于 大多数的癌症，如果早期发现，其治愈率会大幅提高。 人体血糖的无损检测尤其具有现实和挑战意义，它要求以相当高的精度和准 确度检测组织体光学信号。血糖浓度的变化会引起组织体光学特性如散射、吸收 等的微小变化，但是变化量相当微小，而这也是光学方法检测血糖浓度比较困难 的根本原因。 1 2 糖尿病简介以及血糖检测的重要性 糖尿病是威胁人类健康的一大疾病，世界卫生组织已将糖尿病列为三大疑难 病之一。目前全世界约有糖尿病患者1 7 亿，中国约有5 0 0 0 万，美国约有1 7 0 0 万的糖尿病患者。2 0 0 2 年，美国因为糖尿病损失1 3 2 0 亿美元，其中9 1 8 亿美元 是直接治疗的花费，4 0 2 亿美元是由糖尿病引起的残疾、失业等所造成的间接损 失。在中国，根据国家发展与改革委员会公示营养与发展中心提供的专题研究报 告，每年糖尿病人的医疗费用高达8 3 3 亿元。糖尿病可能引发多种并发症，对人 一2 一 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 体的危害仅次于肿瘤和心血管疾病，是威胁人类的“第三号杀手”。据统计：因 糖尿病而导致失明者的概率比一般人多1 0 2 3 倍；得坏疽和截肢的概率比一般人 多2 0 倍；肾功能衰竭的概率比一般人多1 7 倍，得冠心病、中风的概率比一般人 多2 3 倍；猝死的概率比一般人多3 8 倍。近年来，随着人们生活方式现代化， 体力劳动逐渐减少，高热量、高脂肪等不合理膳食的摄入而导致超重和肥胖，这 些都使发病率有随之升高的趋势。 糖分是制造人体细胞的基本燃料，胰岛素的作用是把糖分从血液中提取出来 输送到细胞中去。糖尿病人主要分i 型和i i 型两类，l 型糖尿病人的胰岛腺的功 能完全消失，主要的患者是小孩和年青人。他们需要长期用胰岛素治疗，如果不 定时注射胰岛素就有生命危险。i i 型糖尿病患者更常见，i i 型患者有两种：种 是病人自身不能产生足够的胰岛素，另一种是胰岛素对病人身体的细胞不能产生 相应的输送糖份的作用。当血液中的血糖因为不能输送到细胞中去而在m 液中累 积起来的时候，会产生两个问题：1 ) 人体的细胞会因为能量供应不足而不能正 常工作；2 ) 高血糖浓度会对人眼、肾脏、神经以及心脏造成伤害。后者正是引 起糖尿病并发症的直接原因。 图1 2 正常人体和糖尿病人的血糖含量随时间变化曲线比较 _i意一器廿嚣誉a蚤懋邑霎警忡眷胃口。瑟 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 正常人体内胰岛素的量是人体根据血糖浓度的高低自动调整，从而使人体血 糖浓度维持在正常的范围之内，而糖尿病患者由于体内生产胰岛素的功能不足或 者缺失，因此需要定时地检测其血糖含量，以便从体外注射相应量的胰岛素，以 保证血糖浓度维持在正常范围之内，不能太高，也不能太低。图1 2 显示了正常 人和糖尿病人每天的血糖变换比较。 图1 3 强生公司的o n e t o u c h 血糖仪 现有的经过美国f d a 认证的血糖检测方法都是有损检测式，比如强生公司 的o n e t o u c h 血糖仪( 图1 1 3 ) ，需要每天数次刺破手指以获取人体血液，给病人 造成了很大的痛苦和麻烦。而且侵入式探测容易造成局部感染。近年来也有微浸 入式的血糖检测仪投入市场，如图1 4 所示的由c y g n u s 公司生产的手腕血糖仪， 但是f d a 规定它只能在医生的建议下作为辅助仪器使用，而不能完全代替常规 的血糖仪。由此可见血糖无损检测的重大意义： 1 ) 减少患者每天采血测量的痛苦，提高病人的生活质量； 2 ) 因为是无损检测，故可方便地增加血糖测试次数，进而提高血糖控制精确 度，降低糖尿病并发症发生的危险； 3 ) 降低每次测量的成本； 4 ) 有可能形成含有检测器和胰岛素注射的闭环循环系统； 5 ) 其测量方法和原理可以推广应用到其它血液成分的检测。 d 一 浙江大学硕i 二学位论文 第一章绪论 图1 4g l u c o w a t c h 国外对血糖无损检测的研究有将近3 0 年的历史，然而到目前为止还没有一 种血糖无损检测仪器获得美国f d a 的许可，足见现有检测手段均无法达到规定 的高稳定高精度的要求。虽然血糖无损检测还没有取得突破性的进展，但它的重 要意义仍然吸引着国内外很多研究机构的研究热情和医疗仪器生产商的高研发 投入。 1 3 血糖无损检测方法简介 血糖无损检测基本上都是采用光学方法，主要有以下几种：n i r 光谱分析法 1 、旋光偏振法【1 0 l “【1 3 】、r a i 雌n 光谱分析【1 4 】【1 5 】、光声法【1 6 】【1 刀等。 1 3 1n i r 光谱分析法 近红外光谱分析法是基于血糖在近红外光谱区的特征吸收峰强度来检测血 糖含量。近红外光( 1 0 0 0 - - 2 5 0 0 n m ) 照射在皮肤表面时，一部分光能量被吸收， 一部分由于被照射组织的有机分子之间的相互作用而被散射，没有被吸收的光能 量会透射或者被反射回来。通过分析透射光或者反射光的光谱信息，可以获得组 织体的成分及其定量信息。但由于组织体的复杂性，光谱信息中包含了除血糖以 外的其他物质的吸收光谱，这些光谱信息往往相互交叠，因此需要运用主成分分 析、神经网络等算法来提取其中的血糖信息。 - - 5 一 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 r o b i n s o n 等【7 1 用n i r 透射光谱( 6 0 0 1 3 0 0 n m ) 和多参数定标的方法来检测 糖尿病人的血糖含量，得到的标准测量误差( s e p ) 范围为1 9 8 3 7 8m g d l 。 b u r m e s i s t e r 等1 1 8 l 对人体多个部位( 脖子，嘴唇，鼻隔膜，舌头等) 进行了血糖 近红外光谱测试，他们发现舌头因为脂肪最少，在该处的测量能获得有最大的信 噪比。 n i r 无损检测血糖的缺点是：1 ) 血糖吸收光谱弱，测量精度较低；2 ) 需要反 复定标；3 ) 受到服用药物的影响，其它干扰因素较多。 1 3 2 旋光偏振法 旋光偏振法血糖检测的原理是用旋光计检测线偏光因血糖而产生偏转角度 的大小，来衡量血糖含量的高低。该方法在工业上早已有大量的应用，如用来检 测水中的蔗糖含量。线偏光经过含有空间螺旋特性的分子( 比如血糖) ，它的偏 振面会发生旋转，旋转的角度咖决定于光学长度工，空间螺旋分子的浓度c 和 空间螺旋分子对线偏光的特征矩阵a ： 妒= 眦，衄m ， 吐的上下标t ，a ，p h 表示它跟温度，波长和p h 值有关。 图1 5 旋光检测法系统配置图 浙江大学硕l 学位论文第一章绪| 卺 r o b i n s o n 等【7 1 用n i r 透射光谱( 6 0 0 1 3 0 0 r i m ) 和多参数定标的方法来检测 糖尿病人的血糖含量，得到的标准测量误差( s e p ) 范围为1 9 8 3 7 8m g d l 。 b u r m c s i s t e r 等1 1 8 l 对人体多个部位( 脖子，嘴唇，鼻隔膜，舌头等) 进行了血糖 近红外光谱测试，他们发现舌头因为脂肪最少，在该处的测量能获褥有晟大的信 噪比。 n i r 无损检测血糖的缺点是：1 ) 血糖吸收光普弱，测量精度较低；2 ) 需要反 复定标；3 ) 受到服用药物的影响，其它干扰因素较多。 1 _ 3 2 旋光偏振法 旋光偏振法血糖检测的原理是用旋光计检测线偏光困血糖而产生偏转角度 的大小，来衡量血糖含量的高低。该方法在工业上早已有大量的应用，如用来检 测水中的蔗糖含量。线偏光经过含有空问螺旋特性的分子( 比如血糖) ，它的偏 振面会发生旋转，旋转的角度驴决定于光学长度l ，空间螺旋分子的浓度c 和 空间螺旋分子对线偏光的特征矩阵a ： 庐= 口曩。加， 吐的上下标r ， ，p h 表示它跟温度，波长和p h 值有关。 a 的上下标z ，a ，p h 表示它跟温度，波长和p h 值有关。 图1 5 旋光检测法系统配置图 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 旋光偏振法测试的目标多为人眼前房水。该方法的一个主要缺点是血糖引起 的旋光偏振角度改变量非常小：在l c m 的光学长度上，每l m g d l 血糖含量变化 对应的偏振角的改变要小于o 0 0 0 0 4 度。有研究结果【1 2 】显示旋光偏振法对水溶液 中糖浓度的检测达到了7 5 m g d l 的分辨率，但是作为临床应用还有待提高。 1 3 3 & 龇n 光谱分析法 r a m a n 光谱分析法是分析检测分子的一个有效方法。r a m a n 光谱法检测 由于分子中的原子和原子群的振动和旋转而产生的非弹性散射光。照在分子上的 光的一小部分会因为分子振动而产生转移光子能量的散射- - r a m a n 散射。 r a m a n 光谱描述了散射分子的特征和分子的化学环境。 r a m a n 光谱法的检测目标也是前房水。前房水中除了血糖有r a m a n 光谱 信号外，还有抗坏血酸盐( a s c o r b a t e ) 、乳酸盐( 1 a c t a t e ) 、尿素( u r e a ) 以及少量 蛋白质分子，这些物质的r a m a n 光谱会相互影响，因此需要同时用到线性和 非线性多变量分析方法来从总r a m a n 光谱中提取血糖r a m a n 光谱信息以得 到血糖的浓度1 9 1 。m a r k 等用兔子的眼睛做了离体检测实验，在对获取的r a m a n 光谱信号进行了多变量分析和神经网络分析之后，检测结果的相关性得到了很大 的提高( 从r = 0 7 6 提高到r = 0 9 8 ) 1 1 l 。 r a m a n 光谱分析法在探测水溶液中的糖含量方面已经取得较好的结果，但 是用在人体活检上还是有很多问题，如信噪比低和检测时间长等，目前为止还未 见有活体检测的报道。 1 3 4 光声法 光声检测法是基于检测光致超声压力声波( p r e s s u r ew a v e ) 振幅的技术，它 通过超声波转换器对激光产生的压力声波进行高灵敏度时间分辨探测和分析，得 到l m m 左右的分辨率和数厘米的检测深度。 1 浙江人学碗上学l 奇论女 第章绪论 鲻1 6 光声检测蟓理 对于高散射的组织体，光声转换器探测到的时问相关压强信号可以表示成 p o ) = f k # 。e 0e x p ( - j u q t ) ， i a 其中，r 是g r u n e i s o n 常数，它跟热膨胀系数、卢速和热容有关，k 是被照 射组织体的光学参数，心是组织体的吸收系数，咒是激光强度q 是声速， 峋= 、3 心阻。+ 吣0 - g ) 】是有效衰减系数。通过分析压力信号的振幅，r k pf 0 ， 和指数项e x p ( 一也，t f ) ，可以得到组织体的详细光学信息。 光声检测法是一种检测组织体光学参数的有潜力的方法之一，但是对。r 活体 检测，其精度和灵敏度还不够高。 1 3 5 微创、植入式传感器方法简介 除了上述几种纯无损血糖检测方法外，也有一些研究人员提出了微创、植入 传感器的方法。 浙江大学硕十学位论文第一章绪论 德国卡尔斯鲁厄大学的研究小组“”提出，可以通过植入人眼一些微小的辅助 设备来提高光学方法在人眼中的检测灵敏度，并且，为进一步提高灵敏度，同时 运用了吸收光谱分析法和旋光偏振法。型糖尿病人随着年龄的增长容易得白内 障( 晶状体变得混浊而使视觉模糊) ，很多病人因此需要做人工晶状体移植手术， 这类手术现在已经非常成熟，一般2 0 分钟就能完成一例移植手术。人眼对红外 和可视光谱的都是相当透明的，因而反射回来的带有前放水信息的近红外信号很 微弱，从而给检测造成了困难。该小组的研究者设想，通过改变人工晶状体光学 特性，如图1 7a ) 所示，使它在不改变对可见光谱区域的透射能力前提下，提 高其对近红外光( 探测光谱区) 的反射率，以提高返回的近红外探测光信号的能 量，从而提高用光谱分析法和旋光偏振法检测前房水中血糖含量的准确度。另外， 他们还设计一种被动植入式的微小传感器，如图1 7b ) 所示，植入人眼以提高 检测信号的信噪比。 a ) 改变了光透过特性的人工晶状体 b ) 被动式植入传感器 图1 7 植入式血糖无损检测 s t e v el a n e 等“”正在研究一种含有特殊处理过的化学荧光传感器，如图1 8 所示。如果没有血糖，传感器上的分子的荧光效应很微弱；反之，在血糖环境下， 分子的电子分布会发生改变，荧光效应增强并发射出特定颜色的光。如果研制成 功，这个传感器将被植入皮肤，需要检测的时候，用一个手持式检测仪器发出荧 光激发光源，照射该处皮肤，而该仪器上的探测器可以探测返回来的荧光强度。 通过判断荧光的强度就可以知道人体血糖的含量，高的荧光强度对应高的血糖含 量。 9 一 浙江人学硕士学位论文 第一章绪论 图1 8 光纤型的光一化学传感器 总之，上述的这些血糖无损检测方法均有诸多方面的不足，如灵敏度低、精 度低、对血糖的变化范围( 5 4 - - 5 4 0 m g d 1 ) 内的测量没有足够针对性等。f d a 对 侵入式的血糖检测仪器的精度要求误差小于2 0 1 2 0 】，因此血糖无损检测仪器也 应该达到这个精度。现有的无损检测手段精度不够高的原因有：1 ) 血糖的目标 信号太微弱；2 ) 组织体成分复杂，对信号的干扰严重。人体除了眼睛这个比较 纯净的窗口之外，对其他部位的检测大都需要穿透皮肤，这会大大地降低了信噪 比。即使是针对人眼的检测，也会由于人眼安全限制而约束了探测信号的大小。 1 4 论文概要 本文提出应用o c t 无损检测人体血糖浓度的新方法，并建立相关理论模型， 结合模型实验数据和活体o c t 分析结果，取得初步研究成果。理论和实验结果 证实，o c t 是无损检测血糖浓度的一种比较有效的方法。 第二章介绍了生物组织的主要光学特性，分析人体血糖浓度的变化引起人体 组织散射系数变化的机理以阐述o c t 方法应用人体血糖含量无损检测的理论基 础。该章还介绍了皮肤的组织结构和m i e 理论。第三章介绍了o c t 的基本原理， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 对o c t 系统相关技术的特点进行总结，并简要概述了o c t 的主要应用和最新研 究进展。第四章介绍本实验o c t 系统的硬件构成和系统参数，阐述了本论文的 实验方案和实验准备。第五章是具体实验过程的讨论和实验结果的分析讨论。第 六章对本论文的研究成果进行总结，并展望了课题研究继续进行的方向。 一1 1 蛳江大学硕十学位论文 第一章绪论 参考文献： 1 l a s e r - t i s s u ei n t e r a c t i o na n dt i s s u eo p t i c ss p i e1 9 9 5 ，v 0 1 2 6 2 4 2 z h a o ，z u o m i n ，p u l s e dp h o t o a c o u s t i ct e c h n i q u e sa n dg l u c o s ed e t e r m i n a t i o ni n h u m a nb l o o da n dt i s s u ed e p a r t m e n to fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga n di n f o t e e ho u l u ， u n i v e r s i t yo fo u l u 3 n a t i o n a li n s t i t u t eo fd i a b e t e sa n dd i g e s t i v ea n dk i d n e yd i s e a s e s ，d i a b e t e s o v e r v i e w , n i h ，( 1 9 9 4 ) ：9 4 3 2 3 5 4 a n d e r s o ne r p a r i s hj a “t h eo p t i c so fh u m a ns k i n ”j o u r n a lo fi n v e s t i g a t i v e d e r m a t o l o g y7 7 ，n o 1 ( 1 9 8 1 ) ：1 3 1 9 5 n er a y , m t h a m e r , e g a r d n e r , j k c h a n “e c o n o m i cc o n s e q u e n c e so f d i a b e t e sm e l l i t u si nt h eu s i n1 9 9 7 ”d i a b e t e sc a r e2 1 ，n o 2 ( 1 9 9 8 ) ：2 9 6 3 0 9 6 a m b e rl b r i g g s ，a n ds u s a nc o m e l l ，“s e l f - m o n i t o r i n gb l o o dg l u c o s e ( s m b g ) ： n o wa n dt h ef u t u r e ” j o u r n a lo fp h a r m a c yp r a c t i c e ( 2 0 0 4 ) 1 7 ( 1 ) ：2 9 3 8 7 m a r ka a g a r yw s “d e t e r m i n a t i o no fp h y s i o l o g i c a ll e v e l so fg l u c o s ei na n a q u e o u s m a t r i xw i t hd i g i t a l l yf i l t e r e df o u r i e rt r a n s f o r mn e a ri n f r a r e d ”s p e c t r a a n a l c h e m ，1 9 9 0 ，6 2 ( 1 4 ) ：1 4 5 7 - 1 4 6 4 8 b u r m e i s t e rj a n da r n o l dm a “e v a l u a t i o no fm e a s u r e m e n ts i t ef o rn o n i n v a s i v e b l o o dg l u c o s es e n s i n gw i t hn e a r - i n f r a r e dt r a n s m i s s i o ns p e c t r o s c o p y ”c l i n i c a l c h e m i s t r y ( 1 9 9 9 ) ，4 5 ( 9 ) ：1 6 2 1 - 1 6 2 7 9 ms t o r r i e l o m b a r d i ，jl a m b e r t ，mb o r c h e r t “d e t e r m i n i n gg l u c o s el e v e l sf r o m n i rr a m a ns p e c t r ao fe y e s ”，n a s at e c hb r i e f so n l i n e ，n p o - 2 0 4 1 4 , a p r i l ， 2 0 0 0 1 0 b r e n td c a m e r o n “n o n i n v a s i v eg l u c o s e s e n s i n gu t i l i z i n g a d i g i t a l c l o s e d l o o p p o l a r i m e t r i c a p p r o a c h ” i e e et r a n s a c t i o n so n b 1 0 m e d i c a l e n g i n e e r 琳g ( 1 9 9 7 ) 4 4 ( 1 2 ) ：1 2 2 1 1 2 2 7 1 1 m a r ks b o r c h e r t ，m i c h a e lc s t o r r i e - l o m b a r d i ，j a m e sll a m b e r t “a n o n i n v a s i v eg l u c o s em o n i t o r ：p r e l i m i n a r yr e s e t si nr a b b i t s d i a b e t e st e c h n o l o g y & t h e r a p e u t i c s ( 1 9 9 9 ) ，v o i 1 ，n o 2 ：1 4 5 1 5 1 1 2 s t e f a nb a n dl u i g ir ，a n dr a f a tr a p o l a r i m e t r i cg l u c o s es e n s i n gu s i n g 一1 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 b r e w s t e rr e f l e c t i o no f fo fe y el e n s ：t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ”s p i e ( 2 0 0 2 ) 4 6 2 4 - 2 4 1 3 c a m e r o nb d ，g o r d eh ，c o t eg l ”d e v e l o p m e n to fa no p t i c a lp o l a r i m e t e rf o r i nv i v og l u c o s em o n i t o r i n g ”，p r o c e e d i n g so fs p i e ，1 9 9 9 ，3 5 9 9 ：4 3 4 9 1 4 施玉珍，陈志春，林贤福，“拉曼光谱与红外光谱无损检测技术新进展”分 析化学( 2 0 0 5 ) ，第3 3 卷，第2 期：2 7 2 2 7 6 。 1 5 c h a i k e nj ，fi n n e yw e ，k n u d s o np - e “n o n i n v a s i v eb l o o da n a l y s i sb yt i s s u e m o d u l a t e dn i rr a m a ns p e c t r o s c o p y ”p r o c e e d i n g so fs p i et h ei n t e m a t l o n a l s o c i e t yf o ro p t i c a le n g i n e e r i n g ，a p r2 0 0 1 ，s p o n s o r e db ys p i e ，1 3 4 - 1 4 5 1 6 k l a t i n a n da o r a e v s k y “o p t o a c o u s t i cs i g n a lp r o f i l e sf o rm o n i t o r i n gg l u c o s e c o n c e n t r a t i o ni nt u r b i dm e d i a ”s p i ev 0 1 3 7 2 6 ，5 7 6 - 5 8 3 1 7 km q u a n ，gb c b r i s t i s o n ，h 八m a c k e n z i ea n dp h o d g s o n “g l u c o s e d e t e r m i n a t i o nb yap u l s e dp h o t o a c o u s t i ct e c h n i q u e ：a ne x p e r i m e n t a ls t u d yu s i n ga g e l a t i n - b a s e dt i s s u ep h a n t o m ”p h y s m e d b i 0 1 3 8 ( 1 9 9 3 ) ：1 9 1 1 1 9 2 2 1 8 r o b i n s o nm r ，e a t o nr p ，h a a l a n dd m ，k o e p pgw ，t h o m a se v ， s t a l l a r db r 。r o b i n s o np l “n o n i n v a s i v eg l u c o s em o n i t o r i n gi nd i a b e t i c p a t i e n t s ：ap r e l i m i n a r ye v a l u a t i o n ”c l i n i c a lc h e m i s t r y ( 1 9 9 2 ) ，3 8 ( 9 ) ：1 6 1 8 2 2 1 9 v a nv e e nr l p , v e r k r u i j s s ew s t e r e n b o r gh j ”d i f f u s er e f l e c t a n c es p e c t r o s c o p y f r o m5 0 0t o1 0 6 0n n lb yc o r r e c t i o nf o r i n h o m o g e n o u s l yd i s t r i b u t e da b s o r b e r s ”， o p tl e t t ( 2 0 0 2 ) 2 7 ：2 4 6 - 2 4 8 2 0 r m ed o o r n b o s ，r t a n g ，m c # , a l d e r s ，e w c r o s s ，h j c m s t e r e n b o r g ”t h e d e t e r m i n a t i o no fi n - v i v oh u m a nt i s s u e o p f i c a lp r o p e r t i e s a n da b s o l u t e c h r o m o p h o r ec o n c e n t r a t i o n su s i n gs t e a d ys t a t ed i f f u s er e f l e c t a n c es p e c t r o s c o p y ”， p h y s m e d b i 0 1 ( 1 9 9 9 ) 4 4 ：9 6 9 8 1 2 1 h t t p ：w w w d i a b e t e s , o r g 2 2 h t t p ：v a e n , i t i v u n i - k a r l s r u h e , d e o p e n c m s o p e n c m s e n r e s e a r c h w o r k g ! q ! 匹m s ! q 2 1 i k i ! 2 坚! ! i k g ! 女b q 呈呈! 丛吐 2 3 丛! p ；! 里塑! ! ! ! ! ：g ! ! ! ! 堕q 唑g ! q ! z l i 哩：h ! 里! 1 3 一 浙江大学硕+ 学位论文第二章光散射方法检测人体血糖浓度的理论 第二章 光散射方法检测人体血糖的理论 2 1 组织体的光学特性 随着光学方法在医疗仪器的应用的增多，对于光在生物组织体内的传播如吸 收、散射等特性的研究也越来越多。c h e o n g 等“1 在他们的综述性文章中对生物组 织体的光学特性做了全面的概述。 对组织体的光学特性研究模型有两种：基于传输理论的光学传输模型和基于 麦克斯韦儿方程的解析模型。由于生物组织体的复杂性使解析解变得非常复杂， 因此解析模型应用不多。光传输模型虽然建立在一些假设条件上，但其分析方法 比较简单。光在组织体中的传播，一般用传输理论的光学传输模型来表示。 根据传输理论，光辐射强度l ( r ，s ) ( 缈m 耵。1 ) 在位置，处沿着单位向量s 传播方向随着光的吸收和散射而减弱，同时又由s 方向散射进入5 方向的光而增 强，它的光辐射传输方程是： s v l ( r ，s ) - ( 心+ 雎弘( ，s ) + “，f p ( s ，s 弦( r ，s 弦n ，。 2 1 其中，以( m 1 ) 是吸收系数，以仰4 ) 是散射系数，以咖。) 是衰减系数，d m 是s 方向的差分立体角，p ( s ，s ，是相位表达式。衰减系数和吸收系数以及散射 系数的关系为： 鸬- 心+ 以 2 2 为简单起见，假定相位表达式p ( s ，s 仅仅和s 与s 1 之间的角度有关。如果相 位表达式被归一化为1 ，那么p ( s ，s 3 就是从s 到s 的光散射的概率密度： f p ( s ，s w - 1 。 2 3 通常，相位表达式是已知的，在一般情况下，它通常由一个简单的参数g 表 示，称为相位表达式的余弦平均量， 浙江大学硕士学位论文第二章光散射方法检测人体血糖浓度的理论 g2 - r p ( 邓) ( 洲弦矾 2 - 4 4 参数g 也被称为各向异性量，它表征一次散射模式的不对称性，也有表示成 g = cc o s ( 0 1 。g 为1 ，0 ，一1 时分别表示完全前向散射，各向同性散射和完全 后向散射。 为方便的描述光散射在各向异性散射体中的表现，引入了归一化的散射系数 叱的概念， u ，= u s ( 1 一g ) 。 2 5 正如上述表达式所反映的，归一化散射系数u 。1 是散射系数“。和各向异性量g 的集中表示，它描述了光子在平均自由程( m e a nf r e ep a t h ，即光在发生下次散 射前所走过的平均距离) 1 u ，内的漫射效应，在这个路程内，光的散射是各向同 性的，如图2 1 所示。 图2 1 归一化散射系数( 注：m f p = m e a nf r e ep a t h ) 传输方程假设每个散射体与它相邻的散射体的距离足够远，它们相互之间的 相互影响可以忽略不计，在该理论中，这些散射体和吸收体均匀地分布在介质当 中，并且忽略了荧光效应和偏振效应。要从辐射传输方程导出光的分布，需要知 浙江大学硕士学位论文 第二章光散射方法检测人体血糖浓度的理论 道散射系数、吸收系数以及相位方程，而获得这些参数需要对辐射传输方程求解。 直接求解是非常困难的，所以研究人员提出了各种不同的近似方法，包括离散法， 扩展法( 漫散射理论) ，概率法( m o n t ec a r l o 仿真) 等。 2 1 1 组织体的吸收系数 能够吸收光能的分子被称为色基( 或吸收介质) ，它们吸收的能量转化途径 分两种：一种把能量转化成电子能量；另一种把能量转化成振动动量。前者能量 较大，主要针对近红外，可见和紫外波段的光；后者主要是红外波段。水分子的 振动吸收就是典型的组织体振动吸收。吸收系数儿( c m - 1 ) 描述了一个含有一 定浓度的色基的媒介的光吸收性质，它的定义是 = p 4 0 0 ， 2 6 其中以是色基的每单位体积含量，单位是c i n 一，吒是有效吸收面积【c m 2 】， 它和色基的几何投影面积a 的关系