（测试计量技术及仪器专业论文）近红外无创血糖测量——信号拾取的理论和实验研究.pdf

摘要 糖尿病及其并发症已成为严重威胁人类健康甚至生命安全的全球性疑难 病症。血糖浓度无创伤检测技术具有无痛苦、无感染危险等优点，对于减轻糖 尿病患者的测量痛苦、实现血糖浓度的实时监测和指导临床合理用药，具有非 常重要的现实意义。基于此，本课题进行了人体血糖浓度的近红外无创测量方 法的系统研究。 文中基于皮肤组织各层中的血糖分布特性，提出了利用真皮漫反射光谱测 量血糖浓度的方法。通过近似求解半无限介质中的定态漫射方程，分析了血糖 浓度分别通过吸收效应和散射效应作用于漫反射光能的机理，推导得出漫反射 光能随血糖浓度变化的近似关系式。依据上述测量原理，研制了适用于手掌部 位的近红外无创血糖浓度检测系统。 提出了拾取手掌真皮漫反射信号的有效方案。使用蒙特卡罗模型分析了手 掌漫反射光子的径向分布、在组织内的穿透深度及传输程长的分布规律。并综 合考虑真皮漫反射光子的数量及其在真皮层内的有效光程长对于有效真皮信 息量的影响因子，求解得到真皮信息载荷量随径向检测距离的分布曲线。根据 该曲线的峰值分布特性，确定了光学测头的具体结构参数。 研究了接触压力影响漫反射光谱的机理。文中从粒子的散射截面和吸收截 面的定义出发，正向求解组织的散射和吸收特性，得到散射系数和吸收系数的 基于组织厚度的表达式。并使用有限元模型计算得出不同接触压力下的组织厚 度，进而求得散射系数和吸收系数与接触压力之间的关系式。在此基础上，推 导出了真皮漫反射光能随接触压力变化的理论公式。 提出了活体漫反射光谱测量受接触压力影响的解决方案。通过实验，本文 系统地研究了接触压力变化对漫反射光谱的影响，以及同一接触压力下，漫反 射光谱随接触时间波动的特性。根据研究结果，文中首次提出了最佳接触状态 和最佳测量时间的论点。在该最佳测量条件下进行光谱采集，有效的提高了光 谱测量的稳定性。 最后，本文进行了人体血糖浓度无创测量的临床实验研究。使用文中改进 的o g t t ( 口服葡萄糖耐量试验) 方法采集校正集样本，并对单次o g t t 实 验样本建立p l s ( 偏最小二乘) 校正模型。基于完全交互验证方法对文中5 0 人次o g t t 实验所得的校正模型进行评价，其均方根预测误差的范围为0 6 7 7 3 士o 0 8 8 6 m m o l f l 。该临床实验结果表明了本文的检测方法和系统的有效性。 关键词：近红外光谱，漫反射，无创测量，血糖浓度，光学测头，接触压力 a b s t r a c t d i a b e t e sa n di t sc o m p l i c a t i o n sa r em a j o rt h r e a t st oh u m a nb e i n g s s i n c et h e n o n i n v a s i v eb l o o dg l u c o s ed e t e c t i n gt e c h n i q u eh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sf r e e f r o mp a i na n dn or i s ko fi n f e c t i o n ，i tb r i n g sg r e a ti m p r o v e m e n t si np a i nr e l i e fa n d t h u sg l u c o s e - c o n c e n t r a t i o nm o n i t o r i n gi n r e a lt i m e t h i sr e s e a r c hf o c u s e so n n o n i n v a s i v eb l o o dg l u c o s ec o n c e n t r a t i o ns e n s i n gw i 廿1n e a r - i n f r a r e dd i f f u s e r e f l e c t a n c es p e e l x o s c o p y b a s e do nt h ep r o p e r t i e so fg l u c o s ed i s t r i b u t i o nf o rl a y e r e ds k i nt i s s u e ，a m e t h o do fg l u c o s ec o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n tu s i n gd e r m a ld i f f u s er e f l e c t a n c e s p e c t r o s c o p yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r b ys o l v i n gt h es t a t i cd i f f u s ee q u a t i o nf o r s e m i - i n f i n i t em e d i u m ，t h i sr e s e a r c h a n a l y z e s t h em e c h a n i s mo f g l u c o s e c o n c e n t r a t i o ni n f l u e n c i n gt h es p e c t r a le n e r g yb ya b s o r b i n ga n ds c a t t e r i n ge f f e c t s o nt h eb a s i so ft h i sa n a l y s i s ，a l la p p r o x i m a t er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i f f u s e r e f l e c t i o ne n e r g ya n dg l u c o s ec o n c e n t r a t i o ni se s t a b l i s h e d m o r e o v e r , am e c h a n i c a l s y s t e mi sb u i l tu pt om e a s u r et h ed i f f u s er e f l e c t i o ns p e c t r af r o mp a l mw i t ht h i s m e t h o d a ne f f i c i e n ts c h e m ei sp r o p o s e dt oo b t a i nt h es p e c t r ad i f f u s i o n - r e f l e c t e db y t h ed e r m a ll a y e ro fp a l m b yt h em o n t ec a r l om o d e l i n g ，t h er a d i a ld i s t r i b u t i o n ， p e n e t r a t i o nd e p t ha n dt r a n s m i s s i o np a t hl e n g t ho f t h ed i f f u s ep h o t o n sa r ea n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fp h o t o nq u a n t i t ya n dt h ee f f e c t i v ep a t hl e n g t ho nt h e i n f o r m a t i o nq u a n t i t yf r o mt h ed e r m a ll a y e r , t h ed i s t r i b u t i o nc u r v eb e t w e e nd e r m a l i n f o r m a t i o nq u a n t i t ya n dr a d i a ld e t e c t i n gd i s t a n c ei se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h e d i s t r i b u t i o n p r o p e r t i e s o fp e a l ( v a l u e si nt h ec u r v e ，t h em a t e r i a ls t r u c t u r e p a r a m e t e r so f t h eo p t i c a lp r o b ea r ed e t e r m i n e d i nt h i sp a p e r , w es t u d yt h em e c h r b i s n 3 o fc o n t a c tp r e s s u r ea c t i n go nd i f f u s e r e f l e c t a n c es p e c t r a b a s e do nt h ed e f i n i t i o no fp a r t i c l e s s c a t t e r i n gs e c f i o na n d a b s o r p t i o ns e c t i o n ，t h ee x p r e s s i o n sb e t w e e nt i s s u et h i c k n e s sa n do p t i c a lp r o p e r t y p a r a m e t e r ss u c ha ss c a t t e r i n ga n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta r eo b t a i n e d af i n i t e e l e m e n tm o d e li si n 仃o d u c e dt oe a l c u l a t et h et i s s u et h i c k n e s su n d e rc e r t a i nc o n t a c t p r e s s u r e s ，a n dt h e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n t a c tp r e s s u r ea n do p t i e a lp r o p e r t y p a r a m e t e r ss u c ha ss c a t t e r i n ga n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ti se s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t ot 1 1 i sr e l a t i o n s h i p t h e o r e t i c a lf o r m u l ab e t w e e nt h ed i f f u s er e f l e c t a n c ea n dc o n t a c t p r e s s u r ei sd e d u c e d t h es o l u t i o ni st h e nd e v e l o p e dt om i n i m i z et h ei n f l u e n c e so fc o n t a c tp r e s s u r e o nf ”一v i v od i f f u s er e f l e c t a n c em e a s u r e m e n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a lt h e i n f l u e n c eo fc o n t a c tp r e s s u r eo nt h ed i f f u s er e f l e c t a n c ea n dt h ev a r i a t i o nt r e n do f d i f f u s er e f l e c t a n c ew i t hc o n t a c tt i m e b a s e do nt h e s er e s u l t s ，t h eo 口t i m a lc o n t a c t s t a t ea n do p t i m a lm e a s u r i n gt i m ef o rm e a s u r i n gd i f f u s er e f l e c t a n c es p e c t r aa l ef i r s t p r e s e n t e di nt h i sp a p e r a sar e s u l t ，t h es t a b i l i t yo fs p e c t r ai si m p r o v e dg r e a t l y f i n a l l y , t h ec l i n i c a li n v e s t i g a t i o no nd e t e c t i n gn o n - i n v a s i v eb l o o dg l u c o s e c o n c e n 仃a t i o nw i t h i nh u m a nb o d i e si sc a r r i e do u t t h ei m p r o v e do g l tr o r a l g l u c o s et o l e l - a i r l c et e s t ) m e t h o di su s e dt oc o l l e c tt h es a m p l ed a t af o rc a l i b r a t i o n s e t ，a n dt h ep l s ( p a r t i a ll e a s ts q u a r e s ) a l g o r i t h mi sa p p l i e dt ob u i l dc a l i b r a t i o n m o d e l sf o rt h es a m p l ed a t ac o l l e c t e di ne a c ho g t te x p e r i m e n t t h er e s u l t so f 5 0 o g t te x p e r i m e n t se s t a b l i s h e db y 伽lc r o s sv a l i d a t i o nm e t h o ds h o wt h a tt h er a n g e o fr o o tm e a d s q u a r ee r r o ro fp r e d i c t i o n ( r m s e p ) i so 6 7 7 3 + 0 0 8 8 6 m m o l 1 t h e c l i n i c a lr e s u l t sp r o v et h ec r e d i b i l i t yo fs u c hn i rd i f f u s er e f l e c t i o nm e a s u r i n g s y s t e m k e y w o r d s ：n e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y , d i f f u s er e f l e c t a n c e ， n o n - l n v a s i v es e n s i n g ，b l o o dg l u c o s ec o n c e n t r a t i o n ， o 砸c a lp r o b e ，c o n t a c tp r e s s u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盎盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位做储躲嘶锈签字吼甜年7 月折 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫凄盘生有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：私 签字日期：岁，年7 月谚角 导师签名：彳名多f 后乞 签字日期：纱r 年7 月巧，日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 人体血糖浓度无创测量的意义 糖尿病是由于体内胰岛素缺乏引起的代谢紊乱性疾病或内分泌疾病，病症 最初为体内血糖失控，血糖浓度的异常导致体内代谢紊乱，易引起糖尿病酮症、 心脑血管病变、肾病、眼病、肢端坏疽和感染等严重并发症。 随着人口老龄化的趋势及人们饮食结构的变化，全世界糖尿病患者的数量 正逐年增加。据报导，1 9 9 7 年全世界的糖尿病患者超过1 2 亿，到2 0 1 0 年将 会增长到2 2 亿以上。目前，在发达国家，如美国，据报道现已有2 0 0 0 万以 上的糖尿病患者，在日本，也已有6 9 0 万的糖尿病患者。我国的糖尿病患者近 年也在迅速增加，据沈阳和北京两地统计，仅1 9 8 0 至1 9 8 9 十年间，患病率就 已从1 2 1 上升到2 3 5 2 9 3 ，粗略估计目前全国已超过5 0 0 0 万人。根据w h o ( 世界卫生组织) 在日内瓦发布的公告【l 】，2 0 0 0 年全球死于糖尿病的有4 4 0 万人，仅印度、中国就达1 0 0 万。糖尿病及其并发症己成为严重威胁人民健康 甚至生命安全的全球性疑难病症。 由于生命科学的复杂性，晷前还没彻底根治糖尿病的医学手段。治疗糖尿 病的常用方法是控制饮食和口服降糖药物，对于i 型糖尿病患者还需要注射胰 岛素来控制高血糖浓度。有效的做法是：频繁地监测患者的血糖浓度，以此为 依据，精确、及时地调整口服降糖药物和胰岛素的用量，将血糖浓度控制在适 当的范围内，预防糖尿病并发症。w h o 推荐对糖尿病患者进行血糖浓度的自 我监测，随时随地掌握体内血糖变化情况，实现血糖浓度值的精确管理，这对 于治疗糖尿病及预防糖尿病的并发症具有重大意义。 目前采用的血糖浓度测量方法按仪器的类型可分为自动生化分析仪测量 法【2 _ 3 】和快速血糖仪测量法【4 7 1 。前者需要从静脉取血，对血液离心处理得到血 清后，利用生化方法( 国际上公认的参考方法是己糖激酶法) 测量其葡萄糖浓 度。该测量方法测量精度高，也是其他测量方法的校准基础。但仪器体积较大， 测量需血量较大，约为2 3 m l ，且测量时间较长，只能在医院生化检验室使用。 近年来，随着检测方法的进步、治疗的需要，快速血糖测量仪在临床血糖测定 和糖尿病患者的家庭自我监测中得到了广泛应用。快速血糖仪具有体积小、携 第一章绪论 带方便、操作简便、获得结果快等优点。其测量血样为全血，通常采用针刺法 从指尖取血0 1 1 0 u l ，由血糖仪上的一次性试纸条通过虹吸作用吸入血样，短 时间内显示出测量结果。 上述两种测量仪器都为有创测量法，测量时需要采集血样，然后应用一次 性的试药( 或试纸) 来测得血糖浓度数据。因此，频繁测量也意味羞要在患者 身上频繁地针刺取血，容易引起患者的生理疼痛和心理恐惧，并伴有被感染的 危险。有创测量法的缺点限制了血糖测定的频率，直接影响了血糖浓度波动曲 线的绘制和药物剂量的精确调节。实际上，大多数糖尿病患者并不能真正实现 医学上所希望的血糖浓度频繁监测，因而，难以得到医学上较为理想和及时的 治疗。 研制一种无创伤血糖浓度测量方法对于减轻糖尿病患者的痛苦，改善现行 用药方法，精确控制血糖，有非常重要的现实意义。同时，无创血糖检铡方法 的建立，还可以推广应用于生物体其他成份的无创性测定，有助于加强人们的 日常健康管理，提高生活质量。 1 2 人体血糖浓度无创测量的研究进展 由于无创伤测量血糖浓度的重要性，血糖浓度无创检测技术已成为科技发 达国家的研究热点，多家公司及科研机构对其进行了持续而深入的研究，并不 断取得阶段性成剿踟，其中仅2 0 0 0 年在美国获得的与无创血糖检测有关的 专利就达1 0 0 多项。我国的研究起步较晚，但已受到越来越多的重视，国家自 然科学基金、科技创新基金、国家科技攻关等项目都将其列入了资助的行列。 在美国，大约从1 9 9 0 年开始，许多风险投资公司和相关的光学技术公司 投入了巨额资金和时间进行了无创伤血糖计的开发。1 9 9 2 年，f u t r c x 公司在 美国的o a k r i d g e 会议上展出其研制的无创血糖检测样机d r e a mb e a m 9 - l o 】， 这也是世界首次进行血糖无创伤钡4 量仪器的样机展览，但该仪器推出后受到用 户的评价较差【l “。b i o c o n l r o lt e c h n o l o g y 公司于1 9 9 5 年推出无创血糖仪 d i a s e n s o r1 0 0 0 ，1 9 9 6 年申报f d a ( 美国食品与药品管理委员会) 认证未获通 过，1 9 9 8 年获得欧洲的c e 许可1 1 3 - 1 4 。l i f e t r a cs y s t e m s 公司于1 9 9 7 年获得 无创血糖仪的美国发明专利【l 埘，并进行样机研制，2 0 0 2 年开始对无创血糖检 测样机s u g a r t r a c 进行临床实验【1 6 】，于2 0 0 4 年申请f d a 认证，未获通过【1 7 】。 1 9 9 8 年，爱和华( i o w a ) 大学和俄亥俄( o h i o ) 大学的无创血糖研究组得到n i d d k 第一章绪论 ( t h en 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 ) 数十刀 美元的资助，用于开发一种新颖的半导体材料，以实现血糖浓度的光学监测， 并于2 0 0 2 年再次得到n i d d k 的2 5 0 万美元资助，用于发展一种连续血糖检 测系统来对糖尿病患者进行治疗和管理【1 8 2 习。此外，美国的马里兰大学、t e x a s a & m 、n e w - m e x i c o 大学等均获得了政府的大量资助，长期进行着无创血糖测 量的理论和技术研究，并取得了一定的研究成果 2 4 - 3 ”。 在日本，2 0 0 0 年，由经济产业省的新能源- 产业技术综合开发机构( n e d o ) 牵头，成立了包括日机装、t e m m o 、松下电工等公司及北海道大学、东京工 业大学、熊本大学、产业技术研究中心、国立循环病研究中心等单位参加的血 糖无创伤检测的项目组，投资经费6 亿4 千万日圆【3 ”5 1 。其他更有许多公司虽 然未曾发表公开论文，但一童在内部秘密地进行着研究。2 0 0 4 年日立制作所 及其相关的公司传出了即将推出应用温度，血流等参数综合算出血糖值的无创 伤血糖仪 3 6 - 3 ”。 我国无创血糖测量的研究起步较晚，并且以学院研究为主，主要资金来源 为国家或省部级基金资助。北京大学吴瑾光领导的小组在国家自然科学基金的 资助下，采用中红外a t r 测量方法进行了人体血糖测量的方法研究j 。西安 交通大学的王炜在国家自然科学基金和甘肃自然科学基金的资助下，设计了红 外多波长传感器阵列，进行全血中血糖浓度检测实验【3 o 】。清华大学的丁海曙 4 t , 4 2 1 、中国医科大学的沙宪政【4 3 圳1 进行了近红外无创血糖浓度检测技术的基础 研究，此外，还有其他一些团队也正在进行无创血糖浓度检测方面的研究【4 5 枷l 。 2 0 0 0 年开始，徐可欣在天津大学成立了无刨血糖测量小组，进行近红外无创 伤人体血糖浓度测量的专项研究。该项目先后得到多项国家基金的立项资助， 研制了血糖浓度无刨伤测量系统s u n s h i n ei i 。并在无创血糖仪设计、a o t f 分光系统设计等多个技术方案上申请了国家发明专利及国际专利【4 7 4 “。 多年以来，在无创血糖检测领域的竞争十分激烈，也不断有新的研究成果 问世。但迄今为止，没有任何公司或机构推出的无创血糖测量仪能够真正满足 临床精度要求，也无任何无创血糖测量仪能够通过美国的f d a 认证。 从研究方法上看，国内外进行无创血糖测量研究的主要手段包括：微波检 测技术【5 2 - s 3 、旋光法【5 4 巧5 1 、喇曼光谱法 螂7 】、光散射系数法【5 8 - 5 9 、光声光谱 法 6 0 - 6 2 、中红外光谱法【6 3 1 、近红外光谱法。 其中，近红外光谱结合多变量分析技术的研究方案被认为是无创伤测量人 体血糖浓度的有效方法1 6 4 书1 。前面提及的f u t r e x 公司研制的d r e a mb e a m 及 第一章绪论 l i f e t r a cs y s t e m s 公司研制的s u g a r t r a c 都是基于近红外光谱分析技术进行血 糖浓度测量。 在近红外区域内，体液和软组织相对透明，穿透力强，是较为理想的检测 光谱段。而随着计算机技术和化学计量理论的发展，近红外光谱定量分析的灵 敏度、准确性和可靠性都有较大提高，并被迅速应用于无试剂医学检验。 2 0 世纪7 0 年代，德国的k a i s e r 【6 6 首次使用光学的方法进行人体内成份测 量的尝试。从此，人体内成份测量开始从生化试剂法向纯光学无试剂方法迈进。 1 9 8 7 年，d 址t n e t 6 7 首次提出了应用近红外分光法进行人体血糖浓度的无创伤测 量的方法，并申请了美国专利，标志着近红外光谱分析技术进入人体无创血糖 浓度检测领域。此后，各国的公司、大学和研究所在无创血糖检测方面展开了 激烈的科研竞争。其中，德国的h m h e i s e 研究组【醴- 7 1 】，以及前面提及的美国 o h i o 大学的g w s m a l l 和i o w a 大学的m a a r n o l d 的联合研究组进行了长 期的基础研究，在近红外无创血糖浓度检测方面具有较强的实力。 1 3 本课题的研究目的和意义 虽然近红外光谱法是无创血糖监测最好的发展方向，但其在技术上实现起 来却相当复杂。由于组织的光学特性十分复杂，近红外光穿过动态变化的人体 组织时的非线性散射使得提取血糖信号十分困难。此外，血糖信号非常微弱， 人体内的水、蛋白质、脂肪等物质的强吸收及体温变化的影响将构成主要的干 扰因索，近红外光谱分析技术需要从重叠的光谱中提取微弱化学成份变化的信 息。这些问题涉及组织光学、光谱学、化学计量学、信号处理、生物医学等多 学科的交叉，解决难度极大。归纳起来，当前主要面临以下几个问题的困扰： 1 ) 测量部位的差异 人体不同部位的皮肤厚度、内部组织的光学特性、血糖分布规律等具有很 大的差异，导致光在不同测量部位的空间分布规律明显不同。要想有效提取组 织中的血糖信息，必须从医学和生物光学的角度同时出发，在清楚各测量部位 的内部组织结构及血糖分布情况的基础上，研究光在组织中的传播规律，选择 合适的测量方案，增强检测光中包含的血糖信息，提高测量信噪比。 2 ) 测量条件的变化 活体测量时，测量位置变化、接触式测量中光学测头与被测部位之间的接 触压力变化及被测部位温度变化等测量条件的改变对近红外光谱的影响很大。 4 第一章绪论 要想提高人体血糖浓度无创测量精度，必须正确分析测量条件变化带来的影 响，并给出合理的解决方案提高光谱测量的稳定性。 3 ) 仪器精度 血液及组织中葡萄糖的正常比例只有水的o 1 ，因而，由葡萄糖浓度变 化引起的光谱强度变化很小。要想分辨如此微弱的光谱变化，必须保证测量仪 器具有很高的信噪比。 4 ) 谱线重叠 人体组织极为复杂，组织中多种物质在近红外区域产生吸收光谱。并与血 糖的吸收光谱重叠。谱线的复杂度使得从中识剐和提取血糖的浓度信息极为困 难，需要结合有效的多变量校正技术进行处理。 5 ) 时变性 生物活体的新陈代谢、生理周期、情绪波动以及环境影响等时变性因素都 会直接或闻接地影响到人体组织中各种物质成份的含量，从而影响血糖测量的 精度。由于这些时变性问题涉及因素多而复杂，以当前的科研水平，这些因素 的变化根难实时监测，从雨无法在建模时消除其影响。寻找一种相对基准是解 决时变性问题的可行途径。 本课题在国家自然科学基金、国家十五科技攻关、教育部科学技术研究重 点项目、天津自然科学重点基金、9 8 5 重点项目、2 1 1 工程项目等多个国家基 金项目的资助下。针对近红外无创血糖铡量领域的一些关键性难题进行了系统 研究。旨在通过我们的努力，提出一个有效的血糖浓度无创检测方案，并为进 步提高测量精度，实现系统的临床应用奠定基础。 通过系统研究，本文提出了基于真皮的近红外漫反射光谱无创伤检测人体 血糖浓度的方法，并研制了近红外无创血耱浓度检测系统。围绕该检测方法， 课题就提高系统信噪比、有效拾取真皮漫反射光谱信号、解决接触压力对漫反 射光谱的影响等关键技术进行了研究，并提出了有效的解决方案，保汪了该方 法和系统的实用性。最后，通过人体血糖浓度无创检测的临床实验，验证了该 方法和系统的可行性。 1 4 本论文的主要研究内容及结构安排 本论文的具体内容及结构安排如下 1 ) 第一章为绪论 1 ) 第一章为绪论 第一章绪论 阐明了血糖浓度无刨伤测量的意义；综述了血糖浓度无创伤测量领域的研 究现状；重点表述了本课题研究的目的与意义；概括了本论文的主要研究内容 及结构安排。 2 ) 第二章为近红外无创血糖浓度测量方法及系统的研究 介绍了近红外光谱测量血糖浓度的理论基础，通过分析葡萄糖分子结构及 近红外光谱的特征，从原理上说明近红外光谱法测量葡萄糖浓度的可行性。 通过分析血糖浓度变化分别作用于组织吸收系数和约化散射系数导致的 漫反射光能变化规律，推导得出漫反射光能随葡萄糖浓度变化的近似关系式， 提供了近红外漫反射光谱测量血糖浓度的理论依据。基于皮肤组织各层中血糖 分布特性，以及宾皮层血液中葡萄糖浓度与组织液中葡萄糖浓度之间的相关 性，提出利用真皮漫反射光谱测量血糖浓度的方案。并理论分析真皮漫反射光 谱测量方案的可行性。 研制了近红外无创血糖浓度检测系统。介绍了系统硬、软件的设计方案； 提出了提高系统的重复性信噪比的方法：对系统的信噪比及葡萄糖浓度分辨灵 敏度进行实验评价。 3 ) 第三章为真皮漫反射光谱信号拾取方法的研究 介绍了蒙特卡罗模型研究光在组织中的传播规律的特点及基本原理。 基于手掌组织的分层结构参数和1 6 0 0 n m 下的光学参数，使用蒙特卡罗模 型模拟计算手掌漫反射光子的径向分布、在组织内的穿透深度及传输程长的分 布规律。 定义真皮信息载荷函数，用以表示真皮血糖浓度的检测灵敏度，并采用蒙 特卡罗模拟的求解方法，得到真皮信息载荷量随径向检测距离的分布曲线。根 据该曲线的峰值分布特性，确定有效拾取真皮漫反射信号的最佳径向检测距离 值，并以此作为确定光学铡头的具体结构参数的理论依据。根据光学测头的实 际结构参数，模拟验证其用于真皮漫反射光谱测量的效果。 4 ) 第四章为漫反射光谱测量中接触压力影响的研究 文中从粒子的散射截面和吸收截面的定义出发，正向求解组织的散射和吸 收特性，得到散射系数和吸收系数的基于组织厚度的关系表达式。然后使用有 限元模型计算得出不同接触压力下的组织厚度，进而求得散射系数和吸收系数 与接触压力之间的关系式。最后，根据吸收系数和散射系数对漫反射光能的影 响因子，推导得出真皮浸反射光能随接触压力变化的理论关系式。 实验研究接触压力对漫反射光谱影响。以带皮猪肉和人体手掌为样品进行 第一章绪论 了压力影响的离体和活体实验。通过改变光学测头的z 轴位置，产生不同程 度的接触压力，并分析漫反射光能量与接触压力之间的变化关系以及与测头一 皮肤相对位置之间的变化关系，得出压力差异对漫反射光谱的影响规律。此外， 在同一接触压力下的不同时间采集漫反射光谱，分析得到浸反射光谱随接触时 间的变化规律。 在实验研究的基础上，提出了接触压力对漫反射光谱影响的解决方案，其 关键点在于，提出了最佳接触状态和最佳测量时间的论点，以及确定最佳接触 状态和最佳测量时间的具体方法，并通过人体漫反射光谱测量实验检验了该方 法对于提高光谱稳定性的实际效果。 5 ) 第五章为人体血糖浓度无创测量的临床实验研究 改进了人体血糖浓度无创伤测量实验的样本采集方案，并对该方案的可靠 性进行了论证，保证了实验研究的顺利进行。 实施了人体血糖浓度无创测量实验，并对实验结果进行分析、处理，评价 自行研制的无创血糖浓度检测系统的可行性。进行单次o g t t 实验的完全交 互验证、奇偶样本集相互预测、实验不同阶段的样本集相互预测以及多天实验 样本集的相互预测等分析，评价各种情况下的预测效果，得出相应的结论。 6 ) 第六章为总结与展望 总结全文的主要研究内容及结论；阐述本论文研究的主要创新点：提出下 一步的研究计划。 第二章近红外无创血糖浓度检测方法及系统的研究 第二章近红外无创血糖浓度检测方法及系统的研究 2 1 近红外光谱测量血糖浓度的理论基础 2 1 1 葡萄糖在近红外谱带的吸收特性 根据a s t m ( 美国材料实验协会) 的定义，波长在7 8 0 2 5 0 0 r i m 范围内( 对 应波数在4 0 0 0 1 2 8 2 0e m - 1 ) 的电磁波被称为近红外光，波长在2 5 0 0 2 5 0 0 0 r i m 范 围内( 对应波数在4 0 0 - 4 0 0 0c m - 1 ) 的电磁波被称为中红外光。红外光谱属于分 子吸收光谱，即物质在红外光谱区的吸收主要是由于分子振动状态的变化，或 者按照量子的观点是分子的振动状态在不同振动能级之间的跃迁而形成的 7 2 】。由量子力学的相关理论，分子振动的频率包括基频、各级倍频和各级舍 频1 7 3 - 7 4 1 。绝大多数有机化合物和无机化合物的化学键振动基频均在中红外区域 出现，而近红外谱区的吸收主要是由于分子振动的倍频( 振动状态在相隔一个 或几个能级间的跃迁) 或含频( 分子两种振动状态的能级间同时发生跃迁) 吸 收所造成的。 近红外光谱的波数在4 0 0 0 e m - 1 以上，因此只有吸收峰波数在2 0 0 0 e m - 1 以 上的基频振动，才可能在近红外区内产生一级倍频。而能够在2 0 0 0 c m l 以上 产生基频振动的主要是含氢官能团，如c h 、0 h 、n h 的伸缩振动。因此， 近红外光谱主要是含c - h 、o h 、n - h 等键基团的化合物在中红外区域基频振 动的倍频吸收与合频吸收。含h 键基团的有机物以及与其结合的无机物样品随 着成份含量的变化，其近红外光谱特征也将随之发生变化。反之，根据光谱的 变化特征，可以求得待钡9 成份的含量。 血糖浓度是指血液中的葡萄糖浓度。葡萄糖的分子式为c 6 h 1 2 0 6 ，其结构 中包含有多个羟基( o h ) 和甲基( c h ) ，均为能在近红外光谱区产生吸 收的主要含氢官能团。根据分子结构特点，葡萄糖在近红外区域的吸收特性如 图2 一l 所示。其中，葡萄糖分子在1 1 0 0 1 3 0 0 r i m 波段范围内存在二阶倍频吸收， 在1 5 0 0 1 8 0 0 n m 波段范围内存在一阶倍频吸收，为利用近红外光谱测定血糖浓 度提供了理论依据。 第二章近红外无创血糖浓度检测方法及系统的研究 图2 - 1 葡萄糖分子的吸收光谱 2 1 2 近红外光谱测量血糖浓度的多变量分析技术 人体测量时，由于血液及组织液中其他一些成份( 如血红蛋白、水等) 的 分子结构中也包含能够产生近红外吸收的含氢基团，在近红外区域产生相应的 吸收光谱，如图2 2 所示。因此，测量得到的近红外光谱实际是多种成份吸收 信息的重叠。此时，单波长测量的误差较大。 波长( n m ) 圉2 - 2 血液成份的近红外吸收诺圆 为了提高近红外光谱测量精度，需要结合多变量分析技术进行葡萄糖浓度 测量。具体方法如图2 3 所示：首先设计一系列葡萄糖浓度梯度变化的校正集 样本，测量得到相应的近红外光谱；然后采用多变量分析技术对样本的光谱矩 第二章近红外无创血糖浓度检测方法及系统的研究 校正集样本il 校i e 集样本i 光谱矩阵浓度矩阵 l。，。j f 多变量校i e 技术 匝互r ( 多 盲 近红外光谱定量分析中，可靠的校正集模型分析技术是进行准确预测的前 是近红外光谱分析中使用最多和效果最好的一种多变量建模方法 7 5 7 6 】。 a w2 z ，0 x p + e ( 2 1 ) q x m = u i q i x 一+ e c ( 2 2 ) 阵的载荷( 即主成份) 矩阵，q ，x - 为浓度矩阵的载荷矩阵，载荷矩阵的行变量 之间具有正交性质；b 和e 分别) 锎p l s 模型拟合光谱矩阵和浓度矩阵时引进 的残差矩阵。n 为样品数目，p 为波长数目。伪最佳主成份数目，m 为组分数。 矩阵分解后，进行p l s i 整j 第二步，即对光谱矩阵的得分矩阵衍日浓度矩阵 的得分矩阵啾线性回归，得到校正集模型的回归系数矩阵： u n ，2t i b r s ( 2 3 ) l o 第二章近红外无创血糖浓度检测方法及系统的研究 在预测时，先按公式( 2 - 1 ) ，将被测样品集的光谱矩阵翻分解，求得其 得分矩阵绦“，再按公式( 2 4 ) 求得样品的浓度： c 未知2t , 知b o ( 2 4 ) 建立p l s 校正集模型后，本文采用完全交互验证法来评价其模型预测能力。 完全交互验证法使用校正集本身的数据( 4 矩阵和c 矩阵) 去模拟未知样品集 的数据，其计算过程为：每次选取一个样品，从校正集中除去该样品数据，使 用剩余的样品建立新的校正集模型，并对被剔除的样品进行预测，得到该样品 的预测误差。依次循环计算，直到所有校正集样品都被剔除一次且只被剔除一 次，计算所有样品预测误差的均方根，得到整个模型的预测精度。由于每次计 算时，被预测的样品并没有参加建立模型，因此，完全交互验证能够比较客观 地估计该模型的实际预测能力册。在本文研究中，采用相关系数r 和预测集样 本的均方根预测误差r m s e p 作为两个主要的评价指标，其计算公式如下： r = r m s e p = 孵 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 式中，y ，为使用标准方法测定得到的结果，多。为通过校正集模型预测得 到的结果，五为多，的平均值，以为建立校正集模型所使用的样本数。 2 2 经皮漫反射光谱测量真皮血糖浓度的原理 生物组织 一 透 差 产嗽光 凳 2 时，式( 2 一t 3 ) 可以简化为： m ) 2 寺。卜+ 沙印( _ m p ) ( 2 _ 1 4 ) 径向检测距离p 处的漫反射光能l 与入射光能j 。之间的关系表示为； 叫帝z 0 一+ 身o x p ( - 盯_ ( z 啪) 固定径向检测距离p 和入射光能，检测到的漫反射光能取决于组织吸收 系数与约化散射系数的共同作用。漫反射光能与葡萄糖浓度之间的变化关系 为： 薏= 鲁。薏+ 鲁筹 c z 郴， 托g8 “。a c g 鼬s 1a cg 设血糖浓度的变化只引起葡萄糖与水的相对浓度变化，组织其他成份的状 态保持不变。 依据比尔定律，组织的吸收系数是所有吸收介质的摩尔吸收系数和摩尔浓 度乘积的线性累加： p 。= ( c i 毛) ( 2 一1 7 ) 式中，i 为组织内吸收介质的序号，c ；为介质的摩尔浓度，毛为介质的摩 尔吸收系数。 血糖浓度增加时，葡萄糖分子对组织吸收系数的累加因子增加。只考虑葡 萄糖与水的体积变化时，葡萄糖浓度增加导致水的体积减小，因而水的摩尔浓 度巳减小，水对组织吸收系数的累加因子减小。血糖浓度变化对组织吸收系 数的影响实际上包括两部分：葡萄糖分子的摩尔浓度增加导致的吸收系数变化 和水分子的摩尔浓度减小导致的吸收系数变化。即： 以= l 。q + s 。a c ( 2 - 1 8 ) 式中，毛为葡萄糖的摩尔吸收系数，q 为葡萄糖的浓度，s 。为水的摩尔 第二章近红外无创血糖浓度检测方法及系统的研究 吸收系数，c 。为水的摩尔浓度。 根据w j a s t 【8 1 1 的研究，在温度为2 0 下，纯水的摩尔浓度为c = 5 5 4 m ， 在纯蒸馏水中加入葡萄糖后，l m m 的葡萄糖浓度增加将导致相应蒸馏水分子 的摩尔浓度减小0 0 111 。由于葡萄糖分子替换导致的水分子摩尔浓度变化关 系可以表示为： a c w = c ：( - o 0 1 1 1 ) q = 一6 1 4 9 4 a c g ( 2 1 9 ) 将式( 2 - 1 9 ) 代入( 2 - 1 8 ) ，得到： 静2 毛“9 4 ( 2 锄) 由公式( 2 - 2 0 ) 分析可知，吸收系数与葡萄糖浓度之间的变化关系具有波长 特性。环境温度恒定时，葡萄糖分子和水分子在固定波长下的摩尔吸收系数为 常数。定义单波长五下的吸收变化系数置。以) 为： k 。o ) = q - 6 1 4 9 4 占。 ( 2 2 1 ) 在设定的波长下，吸收系数与葡萄糖浓度之间呈线性变化关系： 薏2 心以) ( 2 - 2 2 ) 组织的散射效应主要是由于散射介质的折射率与周围非散射特性的背 景介质的折射率之间的不匹配引起。当与之间满足l 一l i “1 时， 采用r a y l e i g h g a n s 理论近似m i e 理论【8 2 - 3 3 ，得到约化散射系数的表达式为： 一( 警) 2 z 。， 式中，k 为与散射粒子的大小、密度、各向异