（测试计量技术及仪器专业论文）近红外光谱测量中温度修正方法的理论与实验研究.pdf

中文摘要 基于近红外光谱的人体血糖浓度无刨检测技术已成为生物医学领域中的热 点课题之一。然而，该技术目前面临的一个重要问题是：人体温度变化不可预测 和控制，而温度变化会引起人体测量光谱的变化，进而影响血糖测量精度。基于 此，本课题对近红外光谱测量中的温度修正方法进行了研究。 论文首先分析了温度变化对于近红外光谱的影响。基于朗伯比尔定律，并 考虑摩尔吸光系数的温度变化特征，得到样品的近红外光谱随温度和葡萄糖浓度 变化的关系。当样品的葡萄糖浓度和温度同时变化时，其吸光度差值信号鲋可 由两部分表示：只与温度变化相关的信号鲋，( a ) 和只与葡萄糖浓度变化相关的 信号鲋，( 兄) 。进一步的温度影响实验结果表明：在1 2 0 0 n m 1 7 0 0 n m 的波段范围 内，温度变化1 所引起的光强变化幅度与葡萄糖浓度改变几十甚至几百m m o l l 时产生的效果相当，这将严重影响近红外光谱法无创血糖测量的精度和可行性。 论文在课题组陈韵的指导下，对近红外光谱的温度修正方法进行了理论和实 验研究。在葡萄糖的基准波长处，光强对于葡萄糖浓度变化不敏感，该波长处的 光强变化完全由温度变化引起，因而，可以根据基准波长处的光强变化拟和计算 得到样品测量时的温度。相应的实验结果表明：该方法计算得到的样品温度平均 误差不超过o 0 4 。在此基础上，求得各测量波长处的由于温度变化引起的信号 彳，( 名) ，进而求得葡萄糖浓度特征信号4 ( 旯) 。基于该方法对不同温度下的糖 水溶液的光谱进行处理，可消除温度变化对于光谱的干扰，经过修正后的各谱线 按葡萄糖浓度实现了有效的区分。 最后，实验分析了温度修正方法在葡萄糖浓度测量中的应用效果。在温度 3 0 下建立葡萄糖水溶液样品的校正集模型，然后在不同温度下( 3 2 变化至 4 0 。c ) 测量得到预测集样品的光谱。对预测集样品的光谱进行温度修正，求得其 对应于3 0 下的修正光谱。基于3 0 的校正集模型，分别对温度修正前后的样 品光谱进行预测，其结果表明，对预测集样品的光谱进行温度修正后，其葡萄糖 浓度预测精度提高了2 5 0 倍。 关键词：近红外光谱温度修正基准波长葡萄糖浓度 a b s t r a c t n o n i n v a s i v em e a s u r e m e n to fh u m a nb l o o dg l u c o s ec o n c e n t r a t i o nw i t hn e a r i n f r a r e d s p e c t r o s c o p yh a sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ef o c u s e di n t h ea r e ao fb i o m e d i c a l e n g i n e e r i n g n e v e r t h e l e s s ，o n e o ft h ec r i t i c a lo b s t a c l e st h a tl i ei nt h ec l i n i c a l r e a li z a t i o no fn o n i n v a s i v eh u m a nb l o o dg l u c o s ec o n c e n t r a t i o ni st h eu n c o n t r o l l a b l e a n du n p r e d i c t a b l et e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o no fh u m a nb o d y a st h et e m p e r a t u r ev a r i e s f r o mt i m et ot i m e ，t h em e a s u r e m e n ts p e c t r o s c o p yw i l la l s ob ec h a n g e d ，a n dt h u s a d v e r s e l ya f f e c tt h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e a s p e c to ft e m p e r a t u r ea m e n d m e n to f n e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i co ft e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo fn e a r - i n f r a r e d s p e c t r o s c o p yi sd i s c u s s e d b a s e do nl a m b e r t - b e e r sl a w a n dt h et e m p e r a t u r ef e a t u r e o fm o l a ra b s o r p t i o nc o e f f i c i e n te ，t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec h a n g e so fn e a r - i n f r a r e d s p e c t r o s c o p ya n dt h ec h a n g e so ft e m p e r a t u r ea 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 a st h es a m p l e st e m p e r a t u r ea n dg l u c o s ec o n c e n t r a t i o nv a r y ，t h es a m p l e sa as i g n a l c a nb er e g a r d e da sc o n s i s t i n gt w op a r t s ：o n es o l e l yr e l a t e dt ot e m p e r a t u r es h i f t s ： 鲋r ( 元) ，t h eo t h e ro n er e l a t e do n l yt og l u c o s ec o n c e n t r a t i o nc h a n g e s ：触( 五) r e s u l t s o ft h ef o r w a r dt e m p e r a t u r ee f f e c te x p e r i m e n ts h o wt h a t ：i nt h ew a v e l e n g t ha r e a r a n g i n gf r o m12 0 0 n m t i l l17 0 0 n m 1 o ft e m p e r a t u r ec h a n g e sc a ni n d u c eg r e a te f f e c t o nt h es p e c t r o s c o p y , w h i c hu s u a l l ye q u a l st ot h ee f f e c to f d o z e n so rs e v e r a lh u n d r e d s o fm m o l lg l u c o s ec o n c e n t r a t i o nc h a n g e s t h i sw i l ls e v e r e l ya f f e c tt h ep r e c i s i o na n d f e a s i b i l i t yo fn o n i n v a s i v eg 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 t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg l u c o s er e f e r e n c e 。w a v e l e n g t ha n du n d e rt h ed i r e c t i o n o fy u nc h e n ，as p e c t r o s c o p yt e m p e r a t u r em e l i o r a t i o nm e t h o di se s t a b l i s h e d i nt h e g l u c o s er e f e l ：e n c e - w a v e l e n g t hp o i n t ，t h el i g h ti n t e n s i t yi s i n s e n s i t i v et ot h ec h a n g e so f g l u c o s ec o n c e n t r a t i o na n dt h u sa tt h i sw a v e l e n g t ht h ec h a n g e so fl i g h ti n t e n s i t yc a nb e t o t a l l yr e g a r d e d a st h e c o n s e q u e n c e o ft e m p e r a t u r en o i s e s t h e r e f o r e ，t h e m e a s u r e m e n tt e m p e r a t u r eo fs a m p l e sc a nb ec a l c u l a t e du s i n gt h ec h a n g e so fl i g h t i n t e n s i t y o fr e f e r e n c e - w a v e l e n g t h p o i n t r e s u l t so ft h et e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o n e x p e r i m e n ts h o wt h a t ，t h ea v e r a g er e f e r e n c e - w a v e l e n g t hc a l c u l a t i o ne r r o ro ft h i s m e t h o di sl e s st h a n0 0 4 ( 2 i nr e g a r do ft h i s ，s i g n a l 鲋7 t ( 名) w h i c hc a u s e db y t e m p e r a t u r es h i f t sc a nb em e a s u r e di na l lw a v e l e n g t hb a n d ，a n dc a nt h e r e f o r eo b t a i n t h eg l u c o s es p e c i f i cs i g n a l 坼( 五) p r o c e s s i n gt h es p e c t r o s c o p yo fa q u e o u sg l u c o s e s o l u t i o no fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e su s i n gt h i sm e t h o d ，t h en o i s es i g n a lw h i c hr e s u l t e d f r o mt e m p e r a t u r es h i f t sc a nb ee l i m i n a t e d a f t e rt h i ss p e c t r o s c o p ym o d i f i c a t i o n ，t h e s p e c t r a ll i n e sc a nd e p a r tw i t he a c ho t h e rd i s c i p l i n a r i l ya c c o r d i n gt od i f f e r e n tg l u c o s e c o n c e n t r a t i o n f i n a l l y ，t h ee f f e c to ft h i sr e f e r e n c e - w a v e l e n g t hs p e c t r o s c o p yt e m p e r a t u r ea m e n d m e n t i se v a l u a t e d t h ec a l i b r a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e du s i n ga q u e o u sg l u c o s es o l u t i o n u n d e r3 0 ( 2 t h ep r e d i c t i o ns a m p l es p e c t r o s c o p yi st h e nm e a s u r e du n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e ( 3 2 ct i l l4 0 * c ) t h e nt h ea b o v er e f e r e n c e w a v e l e n g t hs p e c t r o s c o p y t e m p e r a t u r ea m e n d m e n tm e t h o di si n t r o d u c e dt om o d i f yp r e d i c t i o ns a m p l e so r i g i n a l s p e c t r o s c o p y t h e n ，b a s e do nt h es a m e3 0 c a l i b r a t i o nm o d e l 。t h ep r e d i c t i o ns a m p l e s p e c t r o s c o p yb e f o r et e m p e r a t u r ec o r r e c t i o na n da f t e rt e m p e r a t u r ec o r r e c t i o na r e p r e d i c t e dr e s p e c t i v e l y t h er e s u l ts h o w st h a t ，a f t e rt e m p e r a t u r ea m e n d m e n t ，t h e g l u c o s ec o n c e n t r a t i o np r e d i c t i o np r e c i s i o ni se n h a n c e db yn e a r l y2 5 0t i m e s k e yw 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 ( n i r ) ，t e m p e r a t u r e a m e n d m e n t ， r e f e r e n c ew a v e l e n g t h ，g l u c o s ec o n c e n t r a t i o n 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，也不包含为获得鑫盗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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字同期：乃口扩午6 月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂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) 学位做作者虢礁哼 签字日期：h 。年月厂同 导师签名：乏纽 签字同期：么力驴年歹月厂f i 第一章绪论 第一章绪论 如今，糖尿病逐渐成为危害人类健康的主要疾病之一，准确测量患者的血糖 浓度是对其进行有效的临床治疗的前提。血糖浓度的无创伤检测技术由于其快 速，高效，绿色环保和对患者没有外部创伤的特点，已经成为各国相关科研机构 和公司的研究热点。从研究方法上看，大多采用了近红外光谱结合多变量分析的 技术方案，然而其测量精度至今尚未达到临床应用的要求。目前，测量中面临的 主要难题之一是测量条件变化给光谱带来的影响，如温度、测量部位以及接触压 力等。只有消除这些因素的干扰，才能给临床实现无创血糖浓度测量带来新的契 机。 本课题组在多项国家科技攻关项目、国家自然科学基金项目、天津市自然科 学基金项目及天津市科技发展计划项目等众多项目基金的支持下，进行了近红外 无创血糖检测技术的系统研究。作为整个课题研究的一部分，本论文基于课题组 陈韵提出的基准波长温度修正方法，对葡萄糖水溶液的近红外光谱的温度特性及 消除温度干扰的方法进行了研究，从而为下一步消除无创血糖检测中温度影响的 研究提供理论和实验基础。 1 1 人体无创血糖浓度检测的意义 糖尿病是一种代谢紊乱性临床综合征，病因是体内胰岛素分泌绝对或相对不 足以及靶组织细胞对胰岛素敏感性降低。糖尿病的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【l 】，极易引起糖尿病酮症、心脑血管病变、肾病、 眼病、肢端坏疽和感染等严重并发症。目前，糖尿病已经成为危害世界人类健康 并导致死亡的最主要的疾病之一，且多发病于中老年群体之中。 由于糖尿病受到遗传和生活方式共同作用，因而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。根据世界卫生组织 ( w o r l d - h e a l t ho r g a n i z a t i o n ，w h o ) 的估计，截止到2 0 0 3 年，全球范围内糖尿 病人总数为1 7 7 亿，而到2 0 2 5 年糖尿病患病人数将达到3 亿【2 】。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。根据报道：2 0 0 0 年全球死于糖尿病的有4 4 0 万人，仅 第一章绪论 印度、中国就达1 0 0 万。可以看出，糖尿病及其并发症已经成为严重威胁人类生 命健康的一种疾病，世界卫生组织将它和肿瘤，心脑血管疾病一起列为世界范围 内的三大疑难病症。 当今的医学技术还没有短期内彻底根治糖尿病的有效方法，主要的临床手段 是通过对血糖浓度值的频繁检测和相应量的胰岛素注射来对患者的血糖浓度进 行紧密控制，同时配合以相应的饮食和生活规律控制，可以有效降低糖尿病的发 展速度，减少或减轻糖尿病导致的长期并发症。因此，准确测量患者的血糖浓度 是进行有效的临床治疗的前提条件。除到医院进行血糖浓度测量之外，w h o 推 荐糖尿病患者对血糖浓度进行自我检测，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，这对于治疗糖尿病及 预防糖尿病的并发症具有重大意义。 患者目前进行自我血糖浓度检测通常使用的是快速血糖仪1 3 剖，例如美国强 生l i f e s c a n 的o n e t o u c h 、德国的a c c u c h e ki n s t a n t 和罗氏诊断公司的g i u c t r e n d 血糖仪等等。测量的方法大多为采用针刺法从指尖取血0 1 l o w l ，由血糖仪上 的一次性试纸条的虹吸作用吸入血样，通过仪器短时间内显示出测量结果。由于 这种采集血样的方法属于有创伤采集，因此很容易引起患者的生理疼痛并伴有感 染的危险。同时，由于患者需要经常对自身血糖浓度进行实时测量，这就意味着 要在患者身上频繁针刺取血，所以在很大程度上限制了血糖测定的频率，也直接 影响了血糖浓度波动曲线的绘制和药物剂量的精确实施调节。实际上，使用快速 血糖仪，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， 也就难以得到医学上较为理想的及时治疗。 综上所述，开发一种人体血糖浓度的无创伤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，有着非常重要的现实意义。同时，无 创血糖浓度检测的方法和原理还可以推广并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，更加有效的对抗疾病。 1 2 无创血糖浓度检测的方法及研究进展 1 2 1 血糖浓度无创伤检测方法概述 r 从研究方法上看，当前国内外无创血糖浓度测量方法有很多，包括微波检测 技术，阻抗法 7 电化学方澍引，超声技术0 1 ，光学方法1 1 - 1 4 1 等等。相对于其 他方法，光学方法具有无创、快速、信息多维化等特点，成为了目前无创血糖检 测的主要手段。 2 第一章绪论 而在光学方法中，用来检测血糖浓度的光信息包括偏振角、频率、强度、光 速、位相等，应用这些信息产生了多种相应的测量方法，如旋光法1 1 5 - 1 6 、喇曼 光谱法1 7 - 1 8 、脉冲光声法【1 9 - 2 1 1 、光学相干成像方法( 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 ) 2 2 - 2 3 、中红外光谱法、近红外光谱法 2 4 - 2 7 】等方法。以下对这些光学方法从 原理上加以简单概述。 1 旋光测量法 旋光测量法是利用溶液对于穿透过其中的偏振光的偏振角的偏转来定量测 量溶液中某种成分的浓度。比如血液中的葡萄糖浓度为5 6m m o l l ，光穿透l c m 的光程长引起的偏转角为+ 0 0 5 2 0 。血液中胆固醇的浓度为4 - - - 5m m o l l ，光穿 透l c m 的光程长引起的偏转角为0 0 6 - - 0 0 8 0 。因为旋光测量是在人眼的前房测 量，所以不容易被患者接收。 2 喇曼光谱法 喇曼散射光谱是利用激光照射在样品后产生的非弹性散射，散射后光的频率 产生频移来实现测量的。当一束光入射到分子上时，除了产生与入射光频率k 相 同的散射光以外，还有频率为k + y 和v 。一a v 的散射光，这种光散射现象被 称为喇曼效应。在理想条件下，喇曼谱线的强度与入射光的强度和样品分子的浓 度成正比例关系，因而可以利用喇曼谱线来进行血糖定量分析。 但是，影响喇曼线的因素很多，例如光源的稳定性、样品的自吸收、单色仪 的狭缝、样品的浓度改变时折射率的变化等，因此通过直接比较不同浓度样品间 的喇曼线强度来进行定标是不精确的。 3 o c t 方法 o c t 方法是利用由于葡萄糖浓度改变将引起真皮层的衰减系数的变化，从 而反映到o c t 信号则表现为在真皮层所对应的信号斜率变化。每l0 m g d l 的糖 浓度变化将引起o c t 信号的斜率改变2 8 。由于采用相干测量方式，能很好的 保证背向散射光子来自特定的深度，而不会受到其它层光子的干扰，因此血糖浓 度与o c t 信号的斜率具有很好的相关性。o c t 方法作为最近新兴起的方法也 被寄予厚望。 4 中红外光谱法 中红外光谱法主要根据葡萄糖在中红外区域存在吸收现象，根据吸收光谱与 葡萄糖浓度之间的变化关系，配合化学计量学方法进行处理，预测得到血糖浓度 值。在中红外波段葡萄糖的吸收受到体内其他化学成分的干扰最小，特异性相对 较高。但是由于血糖的无创伤测量通常都是经皮测量的，而皮肤中含有6 0 以 上的水分，且水在中红外的强烈吸收，使得中红外在血糖的无创伤测量中受到了 很大的限制。通常只有在血液的分析中，采用a t r ( a t t e n u a t i o nt o t a lr e f l e c t a n c e ) 第一章绪论 方法时才能采用中红外光谱法。 5 近红外光谱法 近红外光波段由于对体液和软组织具有很好的穿透性，是较为理想的检测光 谱段。近红外光谱法主要基于近红外吸收光谱与化学计量学方法进行人体血糖浓 度的预测。其测量原理与中红外光谱法相近。相对于中红外光谱法，在近红外区 域，体液和软组织相对透明，穿透力强。其主要问题是，组织内众多化学成分在 近红外区域存在吸收峰，且与血糖吸收谱带重叠严重，导致血糖信息提取困难。 随着激光光源的发展与使用、化学计量学的进步，近红外光谱法被认为是最有前 途的无创血糖检测技术之一1 2 8 1 ，也是目前国内外研究较多的无创血糖检测方法之 1 2 2 国内外无创血糖浓度测量的研究进展 由于无创血糖测量技术在人类的生产生活方面的巨大实际意义，近年来血糖 浓度无创伤检测技术已成为科技发达国家的研究热点之一，并且成为生物医学以 及光学领域的研究热剧2 9 j 。以下就国内外的一系列研究进展进行简单综述。 目前在发达国家，如日本，2 0 0 0 年，成立了包括日机装、t e r u 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，该项目组由经济产业省的 新能源产业技术综合开发机构( n e d o ) 牵头，投资经费6 4 亿日元【3 0 川，在 1 2 0 0 1 8 0 0 n m 波段范围内测量前臂血糖浓度，目前，该研究组在建立人体血糖浓 度无创测量模型方面所取得了较好的成效。在日本还有其他多家公司虽然未曾发 表公开论文，但一直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 2 - 3 3 1 。在2 0 0 7 年，以色列o r s e n s e 公司研制的n b m 2 0 0 g 无创连续血糖连续 监测仪获得欧洲许可的c e 认证p 4 | 。 除日本，以色列之外，美国等发达国家早在9 0 年代开始，便有许多相关的 光学技术公司和风险投资公司投入了巨额资金进行了无创伤血糖浓度测量技术 的相关开发。1 9 9 2 年，f u t r e 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 3 5 - 3 6 ，这也是世界首次进行血糖无创伤测量仪器的样 机展览，但该仪器推出后受到用户的评价较差【37 。3 8 】，并未获得美国食品与药品管 理委员会( f o o da n dd r u ga d m i n i s t r a t i o n ，f d a ) 的认证，且由于公司经费问题， 其后续研究未见更进一步的报道。美国i n l i g h ts o l u t i o n 公司于2 0 0 4 年获得美 国国立卫生研究院( n a t i o n a li n s t i t u t e so fh e a l t h ，n i h ) $ 2 5 0 ，0 0 0 的资助对i i 型 糖尿病患者的血糖浓度进行无创监测1 3 9 1 。2 0 0 7 年，美国的g l u c o l i g h t 公司获得 4 第一章绪论 n i h 下属的美国国家糖尿病、消化和肾脏病研究所( n a t i o n a li n s t i t u t eo f d i a b e t e s a n dd i g e s t i v ea n dk i d n e yd i s e a s e s ，n i d d k ) 为期两年的资助，计划通过o c t 技术 从皮肤上识别出与血糖浓度变化密切相关的特定解剖区域，从而实现对血糖的无 创监测1 4 0 1 。美国爱荷华大学( u n i v e r s i t yo f l o w a ) 的m a a r n o l d 团队和俄亥俄 大学( u n i v e r s i t yo f o h i o ) 的g w s m a l l 领导的无创血糖研究组在1 9 9 2 年与2 0 0 7 年获得n i d d k 的连续资助，旨在开发一种基于近红外光谱的连续血糖检测系统 来对糖尿病患者进行治疗和健康管理1 4 卜4 6 1 。 与国际上发达国家的相关研究进度相比较，我国无创伤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。中国科学 院长春光学精密机械与物理研究所的张洪艳等建立了以n i c o l e t 公司的n e x u s 8 7 0 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，对人体血糖检测进 行了系统的研究【47 1 。西北工业大学的刘创等针对近红外血糖无创检测技术中提取 浓度信息的校正模型进行了研究【4 引。南京航空航天大学生物医学工程系的凌明胜 等提出根据血糖荧光特征峰强度进行全血血糖的浓度测量。以3 6 5n r n 激发光进 行荧光激发，研究了血液各组份和全血的荧光光谱1 4 引。北京大学的吴瑾光等使用 中红外a t r 测量方法对健康者和糖尿病患者进行了血糖浓度测量，并用有创血 糖仪所测的血糖值进行对比。结果表明，中红外方法测得的血糖值与有创伤方法 的结果变化趋势相同1 5 。 2 0 0 0 年，徐可欣教授在天津大学成立了生物光学实验室，并进行近红外无 创伤人体血糖浓度测量的专项研究。课题组在多项国家基金和省部级基金项目的 立项资助下，在无创血糖仪设计、a o t f 分光系统设计，测量条件( 如位置和压 力) 的重现【5 l 】，光谱数据的处理方法【5 2 等方面取得了进展，并提出了浮动基准 方法1 5 3 - 5 4 】与基准波长方法【5 孓5 6 等测量方法，申请了多项国家发明专利及国际专利 5 7 - 6 1 ，发表了多篇学术论文，取得了许多阶段性研究成果。 纵观国内外无创血糖检测研究领域，各国之间的竞争十分激烈，科研单位和 各大高校也不断有新的研究成果问世。但迄今为止，没有任何公司或研究机构推 出的无创血糖测量仪能够真正满足临床精度要求。 1 3 本课题的研究目的和意义 近年来，近红外无创血糖检测技术的研究取得了很大的进展，但距离实现临 床应用的目标仍然有较大的差距。人体血糖浓度的无创测量是一个系统工程，包 含临床医学、物理学、数学、计量化学、光学与光谱学、仪器科学等多方面的综 合性问题，这几部分互相关联、互相制约，只有全面、系统、深入地研究各个部 第一章绪论 分，才有可能取得血糖浓度无创伤测量的突破。 从测量环节讲，仪器精度，生物活体新陈代谢导致的时变性，测量不同个体 之间带来的差异，都会影响光谱的测量结果。葡萄糖自身的吸收也和人体中其它 成分的吸收严重重叠，难以进行有效的区分。测量中存在的另外一个关键性问题 是测量条件的变化引起的测量不确定性，如被测部位温度变化，测量部位变化以 及测头与测量部位接触压力变化等等，因此必须将测量条件的变化与血糖浓度的 变化区分开来，才能获得准确的血糖浓度测量结果。 在影响血糖测量精度的各测量条件中，人体的温度变化最不可预测及控制， 而其对近红外光谱带来的影响又不可忽视1 6 2 j 干扰因素。温度主要通过改变分子间 的作用力改变分子的振动光谱，如在水的光谱中，温度会对o h 伸缩振动及 其倍频产生影响：当温度增加时，o - - h 的频带朝短波长移动，并变得更尖锐。 在生物组织中，水含量占7 0 左右，因此生物组织的光谱必然受到温度的影 响。目前，已有大量文献对纯水光谱的温度特性进行了研究，如v e n y a m i n o v 等 使用3 5 u m 的透射样品池，在4 0 0 0 - - 一2 6 0 0c m 。1 和2 3 5 0 - 1 4 3 0c r f l 叫波段内，测 量了2 5 5 0 范围内温度对水光谱的影响【6 3 j ；j e n s e n 等在中红外和近红外区域， 分别使用光程为5 0 u m 和0 4 m m 的样品池进行测量，讨论了温度对水的吸收光谱 的影响1 6 4 】；f r o n e s 等人【6 5j 在1 8 0 0 - - 2 3 0 0 n m 下研究了水的吸收光谱随温度的变 化，结果表明，在此波段中水的吸收峰的位置随温度的升高向短波方向移动。也 有少量文献研究了温度对葡萄糖水溶液光谱的影响，如t a r u m i 等利用蒙特卡罗 方法对2 m m 光程长的葡萄糖水溶液吸收光谱的模拟结果进行研究，结果表明温 度改变0 1 所引起的光谱变化与葡萄糖浓度改变5 0 m g d l 的结果相当1 6 6 | 。然而 该实验仅对模拟结果进行了分析，并且仅以葡萄糖吸收峰( 1 6 6 0 n m ) 处的光谱 强度作为研究对象，并没有对多波长范围内的光谱信号进行分析。从以上的文献 资料来看，温度会对近红外光谱产生不可忽视的影响，较小的温度波动便会引起 血糖无创测量结果的严重偏差，因此，必须采用一定的方法消除温度对光谱的影 响，这也是实现无创血糖浓度测量临床应用的基本前提。 本文紧密围绕着温度变化对光谱产生的影响以及如何消除温度对测量的影 响这一问题展开研究。文中以葡萄糖水溶液的吸收光谱作为研究对象，通过理论 推导和实验分析，研究了温度对糖水溶液吸收光谱及吸光度的影响，并利用基准 波长处的吸光度与温度之间的关系，对样品温度进行了准确计算。通过研究葡萄 糖水溶液吸收光谱的温度特性，提出了一种对样品光谱进行温度修正的方法，并 通过实验对该光谱修正方法的有效性进行了评价。本文的主要研究内容在课题组 陈韵的指导下完成，论文中提出的对光谱进行温度修正的方法为陈韵的原创理 论。 6 第一章绪论 1 4 本论文的内容及结构安排 现介绍本文具体的结构内容安排如下： 第一章：绪论 结合糖尿病现状介绍了血糖浓度无创测量的意义，综述了目前无创血糖检测 领域诸多技术中的光学方法，介绍了无创血糖浓度测量的国内外最新进展。分析 了人体无创血糖测量中的瓶颈问题，如测量条件的变化带来的影响等。并针对温 度变化带来的测量精度问题，重点表述了本课题研究的目的与意义，并概括了本 论文的主要内容及结构安排。 第二章：近红外光谱法测量原理分析 首先，从分子振动角度出发说明了近红外光谱法的测量原理。介绍了近红外 光谱的产生机理以及葡萄糖分子的近红外光谱特征，随后介绍了近红外光谱分析 法的理论基础一l a m b e r t b e e r 定律和多变量建模分析技术。最后介绍了本论文 实验的硬件基础：t h e r m on i c o l e t 公司的a n t a r i sn e a r - i ra n a l i z e r 傅立叶变换 近红外光谱测量仪。 第三章：温度变化对糖水光谱的影响的研究 本章系统分析了温度变化对水和葡萄糖水溶液吸收光谱的影响。首先讨论了 温度变化影响光谱的机理，之后根据课题组陈韵的理论推导，对不同温度下吸光 度变化信号进行了解析，讨论了温度变化对吸光度信号的影响。以不同温度下的 纯水和糖水溶液为研究对象分析了不同温度下样品的光谱特征。最后，本章对 1 2 0 0 n m 至1 7 0 0 n m 波长范围内温度与糖浓度改变引起的光谱能量变化进行了定 量对比分析，指出了温度变化对吸收光谱具有很大的影响。 第四章：基准波长样品温度计算与光谱修正的研究 首先介绍了基准波长的原理。而后结合本课题组陈韵提出的吸光度温度变化 解析公式，推导出了利用基准波长处的吸光度进行温度计算的原理，并通过实验 考察了基准波长温度计算的效果。实验结果证明，基准波长法修正样品测量温度 可以达到0 0 4 * ( 2 。本章还在陈韵的指导下，推导了对光谱进行温度修正的理论公 式，并设计相关实验对光谱修正的效果进行了验证。 第五章：温度修正法在葡萄糖测量中的应用 阐述了建立温度不敏感模型的重要意义并对一些常用的建立模型方法进行 了比较。之后，通过多浓度葡萄糖水溶液实验进一步验证了光谱修正的效果；最 后，通过建模实验评价了光谱修正的效果。 第六章：总结与展望 总结全文的主要研究内容与结论；提出下一步的研究计划。 7 第二章近红外光谱法测量原理及系统 第二童近红外光谱法测量原理及系统 近红外区域按美国材料实验协会( a m e r i c a ns o c i e t yf o rt e s t i n ga n dm a t e r i a l s ， a s t m ) 定义是指波长在7 8 0 n m - 2 5 0 0 n m 范围内的电磁波，是人们最早发现的非 可见光区域1 6 7 。近红外光谱分析方法具有绿色无污染，不破坏样品，测量速度快， 多成分同时测量，不需要使用试剂进行反应等特点，是真正意义上的无创伤监测 方法。近年来，由于化学计量学方法的应用，近年来近红外光谱分析技术迅速得 到推广，成为一门独立的分析技术，多应用于农产品营养分析，样品成分分析与 检测，冶金，石油化工，环境质量监测等领域。近红外光谱分析方法由两个要素 组成，一是准确、稳定地测定样品的光谱，另一个是利用多元校正方法对光谱进 行计算，得到测定结果。本章介绍了近红外光谱分析中的相关原理，以及本论文 中重点使用的光谱测量仪器，作为本论文的理论基础和实验的硬件基础。 2 1 近红外光谱测量血糖浓度的理论基础 根据a s t m 的定义，红外区域的电磁波可以分为三个区域：波长7 8 0 n m 至 2 5 0 0 n m 的区域称作近红外区，波长2 5 0 0 n m 至2 5 0 0 0 n m 的区域称作中红外区， 波长2 5 0 0 0 n m 至1 0 6 n r n 的区域为远红外区。表2 1 列出了近红外光谱波长范围 及光谱特征与紫外，可见光以及中红外光谱的比划6 8 1 。 表2 1 几种光谱的波长范围与光谱特征比较 近红外光是电磁波，它具有光的属性，同时也具有波粒二重性。，近红外光谱 属于分子吸收光谱，即物质在近红外光谱取得吸收主要是由于分子振动状态的变 化或者按量子力学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。由量子力学的相关理论，分子振动的频率包括基频、各级倍频与各种合频6 9 1 从光源发出的红外光照射到有种或多种分子组成的物质上时，只有红外活 第二章近红外光谱法测量原理及系统 性分子中的键才能与近红外光发生作用。红外活性分子吸收红外辐射后，由摹态 振动能级( n - 0 ) 跃迁至第一振动激发态( n = 1 ) 时，所产生的吸收峰称为基频峰。 因为( 振动量子数的差值) n = l 时，n l = l ，所以基频峰的位置( n l ) 等于分子 的振动频率。在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能级由基态( n = 0 ) 跃迁 至第二激发态( n = 2 ) 、第三激发志( n = 3 ) 等，此时所产生的吸收峰称为倍频峰。 绝大多数有机化台物和无机化合物的化学键振动基频均在中红外区域，并且所有 近红外光谱的吸收谱带都是中红外吸收基频4 0 0 0 c m 。至】6 0 0 c m 的倍频及合频。 由于近红外光谱的波数在4 0 0 0 e m 。以上，因此只有吸收峰波数在2 0 0 0 c m 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 “阻上 产生基频振动的主要是含氢官能团，如c h 、o 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 倍频吸收与舍频吸收。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，可以求得待测成份的台量。 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 扎m o 其分子结 构式如图2 一l 所示，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，葡萄糖分于在 1 】0 0 1 3 0 0 n m 波段范围内存在二阶倍频吸收，在15 0 0 】8 0 0 n m 波段范围内存 在一阶倍频吸收。 目2 - i 葡萄糖分子结构武 图2 - 2 为葡萄糖分子在近红外区域内的吸收光谱。 观察图2 2 中的葡萄糖吸收光谱，可以看出葡萄糖分子在近红外区域内存在 比较剧烈吸收的波段，一个位于约i5 3 0 r i m 至i8 5 0 n m ( 波数范围6 5 0 0 - 5 4 0 0c m “) 范围内的倍频吸收。另一个是在约2 0 8 0 n m 至2 3 4 0 n m ( 波数范围4 8 0 4 4 2 7 4 ) 范围内的合频吸收。这就为利用近红外光谱测定血糖浓度提供了依据。 第二章近红外光谱法测量原理及系统 波长( n m ) 图2 - 2 近红外波段内葡萄糖分子的吸收光谱 2 2 葡萄糖浓度测量原理 吸收光谱成分浓度定量分析的基础是朗伯一比尔定律( l a m b e r t b e e r s l a w ) ，其数学表达式如下【7 0 】： ，( 兄) = 厶( 五) e x p 卜e ( 五) e z 】 ( 2 1 ) ，= 1 其中，与j 。分别为透射光强度，入射光强度，为样品中成分i 的摩尔吸 光系数，其物理意义是：吸光物质在单位浓度、单位厚度时的吸光度，是物质本 身的固有性质；c 为样品中成分f 的摩尔浓度：，为光程长。 根据公式( 2 1 ) ，随着被测样品中成分浓度的变化，其出射光的强度也随之