（测试计量技术及仪器专业论文）关于组织液抽取和血糖连续检测的研究.pdf

摘要 实现连续血糖检测对于有效的控制糖尿病患者的血糖水平，进而有效的降低 或者延缓糖尿病并发症的发病率具有重大意义。现阶段，通过检测组织液中的葡 萄糖浓度来实现血糖检测的微创血糖检测系统是最有希望实现连续血糖检测的。 而且基于低频超声皮肤预处理的组织液抽取方法与其他方法相比具有超声处理 时间短且无痛、皮肤增透效果好且持续时间长、便于与其他组织液抽取方法结合 以及便于血糖检测与胰岛素透皮导入的结合等众多优点。 正是基于以上的这种情况，才提出了本课题的研究。本文根据国外相关的研 究经验，搭建了一套微创血糖检测系统，并通过实验评估了这套系统的检测精度， 最后给出了小型化微创血糖检测系统的总体设计思想和具体设计工作。 本文主要完成了以下的几项工作： ( 1 ) 系统的调研和分析了连续血糖检测技术和基于低频超声皮肤处理的组 织液抽取技术研究的重要意义、研究现状和发展趋势。 ( 2 ) 讨论和分析了超声的各种生物效应，并着重讨论和分析了超声的空化 作用、超声提高皮肤通透性的机制及影响因素。 ( 3 ) 搭建了包含低频超声皮肤处理装置、真空负压组织液抽取装置和样品 溶液葡萄糖浓度检测装置三部分的微创血糖检测系统。 ( 4 ) 建立了微创血糖检测的校正模型和方法流程，并采用多种方法评估了 微创血糖检测系统的检测精度。 ( 5 ) 基于小型化微创血糖检测系统的整体构想，设计制作了超声换能器及 其电端匹配电路和驱动电路，设计了稳定的真空负压装置，设计了皮肤阻抗检测 控制装置。 关键词：连续血糖检测糖尿病组织液微创血糖检测低频超声 a b s t r a c t c o n t i n u o u sb l o o dg l u c o s em o n i t o r i n gi sav e r ye f f i c i e n ta n di m p o r t a n tw a yt o c o n t r o lb l o o dg l u c o s el e v e lo fd i a b e t e s ，a n dt h e nt or e d u c eo rp o s t p o n et h el o n g - t e r m c o m p l i c a t i o n so fd i a b e t e sm e l l i t u s a tp r e s e n t ，t h em i n i m a l l yi n v a s i v eb l o o dg l u c o s e m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt r a n s d e r m a li n t e r s t i t i a lf l u i de x t r a c t i o nt e c h n o l o g i e sa n d g l u c o s ec o n c e n t r a t i o nt e s t i n gt e c h n o l o g i e si so f f e r i n gg r e a t e rp r o m i s ei nt e r m so f p r a c t i c a l a n dr e a l i z a b l ed e v i c e sf o rc o n t i n u o u sb l o o dg l u c o s em o n i t o r i n g a n d c o m p a r e dw i t h o t h e re x t r a c t i o nt e c h n o l o g i e s t h et r a n s d e r m a lf l u i de x t r a c t i o n t e c h n o l o g yb a s e do nl o w - f r e q u e n c yu l t r a s o u n dh a ss e v e r a lm e r i t s ，s u c ha st h et i m eo f u l t r a s o n i cs k i np e r m e a t i o ni ss h o r t , a n dt h ep r o c e s si sp a i n l e s s ；t h ep e r m e a b i l i t yo f u l t r a s o n i c a l l yp e r m e a t e ds k i ni sh i g ha n dm a i n t a i n sh i g hf o r15h o u r s ；i ti se a s yf o r u l t r a s o u n dt oc o m b i n ew i t ho t h e rt e c h n o l o g i e si nf l u i de x t r a c t i o n ；a n di ti se a s yf o r u l t r a s o u n dt oc o m b i n eb l o o dg l u c o s em o n i t o r i n gw i t ht r a n s d e r m a li n s u l i nd e l i v e r y a c c o r d i n gt ot h eo v e r s e ar e s e a r c hi n f o r m a t i o n ，am i n i m a l l yi n v a s i v eb l o o d g l u c o s em o n i t o r i n gs y s t e mw a sb u i l t ，a n d i t s a c c u r a c yw a se v a l u a t e dt h r o u g h e x p e r i m e n t s am i n i a t u r i z a t i o no ft h es y s t e mw a sd e s i g n e da n ds o m ew o r ko fi tw a s p r e s e n t e d m a i na c h i e v e m e n t so f t h i st h e s i si n c l u d e ： ( 1 ) t h ei m p o r t a n c e ，c u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fc o n t i n u o u sb l o o d g l u c o s em o n i t o r i n gt e c h n i q u ea n di n t e r s t i t i a lf l u i de x t r a c t i n gt e c h n i q u eb a s e do nl o w f r e q u e n c yu l t r a s o n i cs k i np e r m e a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e da n da n a l y z e df u l l y ( 2 ) s e v e r a lb i o l o g i c a le f f e c t so fu l t r a s o u n dw e r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d a n d t h e nt h ec a v i t a t i o no fu l t r a s o u n d ，t h em e c h a n i s ma n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fl o w f r e q u e n c yu l t r a s o n i cs k i np e r m e a t i o nw e l ed i s c u s s e da n da n a l y z e di nd e t a i l ( 3 ) t h em i n i m a l l yi n v a s i v eb l o o dg l u c o s em o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi n c l u d e sl o w f r e q u e n c yu l t r a s o n i cs k i np e r m e a t i o nd e v i c e ，v a c u u mi n t e r s t i t i a l f l u i de x t r a c t i o n d e v i c ea n dg l u c o s ec o n c e n t r a t i o nt e s t i n gd e v i c ew a sb u i l t ( 4 ) t h ec a l i b r a t i o nm o d e la n dp r o c e s so fm i n i m a l l yi n v a s i v eb l o o dg l u c o s e m o n i t o r i n gw e r eb u i l t a n dt h ea c c u r a c yo ft h em i n i m a l l yi n v a s i v eb l o o dg l u c o s e m o n i t o r i n gs y s t e mw a se v a l u a t e d ( 5 ) b a s e do nt h ew h o l ed e s i g no ft h em i n i a t u r i z a t i o no ft h em i n i m a l l yi n v a s i v e b l o o dg l u c o s em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h eu l t r a s o u n dt r a n s d u c e r , m a t c hc i r c u i ta n dd r i v e n c i r c u i tw e r ed e s i g n e da n dm a d e ，t h es t a b l ev a c u u md e v i c ew a sd e s i g n e d ，a n dt h es k i n i m p e d a n c et e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c ew a sd e s i g n e d k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sb l o o dg l u c o s em o n i t o r i n g ，d i a b e t e s ，i n t e r s t i t i a lf l u i d ， m i n i m a l l yi n v a s i v eb l o o dg l u c o s em o n i t o r i n g ，l o w f r e q u e n c yu l t r a s o u n d 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，也不包含为获得苤鲞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：彳每配签字慨砷年月乡。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权一丞壅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) 学位论文作者签名：一孑辘 、 签字日期：矽7 年月名口日 导师签名：幺钾乞l 签字胁咿月多少同 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 动态连续血糖检测的意义 糖尿病是一种严重危害人民健康的慢性疾病，临床上一般主要分为4 种：l 型糖尿病，2 型糖尿病，妊娠糖尿病及其它特殊类型糖尿病。糖尿病发病率随生 活水平改善正在不断增加，目前糖尿病尚无根治的方法。 糖尿病在长期得不到有效控制的条件下会引发一系列的全身性综合病变，导 致包括视网膜、肾脏、心脏、神经系统、微循环系统等多方面的病变，如失明、 肾衰竭、高血压、心脏病、下肢溃疡等严重后果。糖尿病治疗的直接目的是防止 糖尿病并发症发生。虽然并发症发生机理十分复杂，但毫无疑问持续高血糖是重 要原因之一，对糖尿病及并发症国际上曾有几次大规模临床研究，例如美国的 d c c t ( d i a b e t e sc o n t r o la n dc o m p l i c a t i o n st r i a l ，美国n i d d k ( n a t i o n a l i 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 ) 组织进行的始 于1 9 8 3 年长达1 0 年的关于糖尿病及其并发症的多医学中心研究项目) 和英国的 u k p d s ( u n i t e dk i n g d o mp r o s p e c t i v ed i a b e t e ss t u d y ，英国进行的始于8 0 年 代并仍在进行的长达2 0 年的大规模糖尿病及其并发症研究项目) 是两个主要的 此类研究项目，这些研究的结果证明：并发症的发病率与高血糖有直接因果关系， 有效的控制血糖水平能够有效的降低或延缓并发症的发病率。 为了有效了解一个患者的血糖水平和变化特点，临床上以空腹血糖、餐后血 糖变化和平均血糖水平来评估患者的糖尿病程度和宏观血糖控制。体内葡萄糖浓 度是一个随时问变化的变量，由于患者日常活动、心理状态、饮食成分、环境变 化等诸多因素的影响，血糖值在每天的不同时间变化很大，所以单次测量血糖方 法具有很大的随机性，即使是空腹血糖值也仍然每天不同，一个糖尿病患者的空 腹血糖值也可以是处于正常范围，所以现行的用单次或每天几次测指血的方法往 往不能完全真实地反映患者血糖变化状态。为达到最佳血糖控制，一般要求患者 尽可能多次的测量血糖浓度以了解其变化，并根据血糖变化的实际情况来及时调 整治疗方案。现在通用的手段是由患者自己针刺手指，取血用血糖仪测定。但由 于所测结果仪代表采血时间的瞬时浓度，实际上很难掌握血糖的全面动态变化， 因此也难以实现对血糖的最佳控制。 对动态血糖检测系统的临床研究【l h 6 】证明检测皮下组织液的葡萄糖浓度是 一个有效的方法。动态血糖检测系统能够提供连续的血糖变化情况，便于分析患 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 者活动与血糖变化的关系，尤其是能够提供夜间患者不能自己检测时的葡萄糖变 化数据，捕捉到夜间低血糖现象。实现血糖的动态连续检测，能够消除检测盲点， 消除大部分单次测量的随机偏差，特别是对夜间血糖变化和胰岛素治疗期间进行 检测，能够有效发现低血糖，对用药剂量的及时调节和疗效评估有明显作用。有 效应用的直接结果是延缓并发症，而在恶性并发症发生和发展的同时，用于强化 治疗过程，能够使治疗达到最佳效果，为患者最大限度的节省医疗费用。 1 2 血糖检测的国内外发展概况 1 2 1 血糖检测的发展概况 目前，糖尿病检测主要依靠有创测量，有创方法在血糖检测过程中需要消耗 品，每次对病人进行血糖检测时都会对病人带来一定程度的伤害，给他们带来痛 苦并有感染的危险，且这种方法最大的缺点就是不能实现对于人体血糖浓度的动 态检测，无法反映病人体内血糖浓度的实时变化情况，达不到很好的辅助资料的 效果，比如定期的取指血试验经常不能探测到所有的低血糖事件和高血糖事件， 特别是夜间的低血糖经常是测不到的。 无创血糖检测曾经是最具吸引力的血糖检测方法，它的最典型代表是1 9 8 0 年代后期至1 9 9 0 年代间吸引了大量资金和注意力的近红外光谱方法( n i r ) ( b i o c o n t r o l 、f u t r e x 等美国公司) 。利用葡萄糖分子在红外光谱区有微弱吸收 的特性，对不同波长处的红外吸收光谱，应用一种称为c h e m o m e t r i c s 的数学模 型进行多层次的复杂计算，得出葡萄糖的浓度值。困难在于信号极弱，在人体组 织和血液的复杂背景下将葡萄糖浓度信号区分出来需要解决一些非常复杂的问 题。另外，无创血糖检测还有过多种其它化学物理模式，如超声波、热共振、红 外散射，甚至将隐形镜片的离子晶格变化应用于眼表面液体测量等，这些方法在 原理上不具备足够的专属性和选择性，检测精度有限，可靠性较低，实际上成为 可靠产品的可能性有待进一步验证。 由于组织液中的葡萄糖水平与血糖水平有高相关性，故而测量组织液中的葡 萄糖水平这一微创方法近年来倍受关注。现有的商业化微创血糖连续检测系统有 c y g n u sg l u c o w a t c h 和m i n i m e dc g m s t m 等。除了商业化的产品外，人们还研究 了其他大量微创血糖检测方法，例如：用激光在皮肤上打小孔，并通过该孔抽取 血液或者组织液( s p e c t r x ，美国) ；用微型针阵列刺破角质层，并抽取组织液 ( 加利福尼亚大学伯克利分校，美国) ；利用微透析法抽取组织液( u n i v e r s i t yo f g r o n i n g e n ，荷兰；a m e n a r i n ii f r s r 1 ，f l o r e n c ei t a l y ；浙江大学，中国) 等； 基于这些技术可以透过皮肤采集组织液样品，然后另由高性能传感器来完成测量 天津大学硕士学位论文第一章绪论 步骤，通过数据处理实现血糖检测。这种采样方式需要解决两个方面的问题：一 是不同个体以及不同部位采样的均匀性和重复性：二是持续检测时必要的渗透物 流稳定性。 1 2 2 微创血糖检测的发展概况 鉴于有创和无创血糖检测方法的种种局限性，微创方法成为现阶段实现动态 连续血糖检测的一种更有希望更现实的方法。 从测量原理上分，微创血糖检测方法大体上有如下几类： 1 植入型：这一类型的特点是将微型葡萄糖传感器或者微型组织液抽取装置 植入体内，并通过检测组织液中的葡萄糖浓度来实现血糖检测。 ( 1 ) 美国的m i n i 肛d 公司在9 0 年代初购买了e l il i l l y 公司的皮下血糖传感 器专利技术，并在1 9 9 9 年底得到f d a 批准，上市名为c g m s ( c o n t i n u o u sg l u c o s e m o n i t o r i n gs y s t e m ) 的系统。该系统是一个便携式连续葡萄糖记录仪，可以记 录三天的皮下组织液葡萄糖浓度值并可以下载后在电脑上做出连续血糖曲线。主 要的不足之处包括：要求每天输入4 个指血参考值对传感器进行校准，对患者来 说可能嫌负担过重；m i n i m e dc g m s t m 并非为日常应用而设计，它需要经过训练的 人员将葡萄糖传感器植入皮下，因此无法方便的操作和实现家用；现阶段m i n i m e d c g m s t m 还不能实现实时显示( 删m e d t r o n i c c o m n e w s r o o m ) 。 ( 2 ) 国内外已有多个研究机构( u n i v e r s i t yo f g r o n i n g e n ，荷兰【7 】；a m e n a r i n i i f r s r 1 ，f l o r e n c ei t a l y 【8 】；浙江大学，中国【9 】) 将微透析技术用于组织液成分 的研究，其中不乏关于葡萄糖浓度的研究。微透析技术实质上是一种膜分离技术， 它是基于膜内外两侧物质存在的浓度差异导致小分子物质在膜两侧的流动，通过 测定流出液( 或透析液) 中待测物浓度来研究生物体中待测物水平及其动态变化 过程。该技术特别适合在活着的生物体内进行连续取样并可实现体内药物的在线 分析。微透析系统的关键部件是微透析探针，它是由膜、导管及套管等部分组成 的。微透析取样时，是将微透析探针植入透析部位，小分子物质在浓度梯度的作 用下，穿过透析膜，进入透析液，而透析液不断被移走从而保持了浓度梯度。微 透析技术的主要特点是创伤轻微，不破坏机体完整性，不易引起组织感染及组织 部位容积变化，能长时间连续取样，样品相对纯净可不经预处理，可实现在线进 样分析，其测定结果可真实代表取样位点目标化合物的浓度，并可获得有关药物 代谢中间过程的信息。但是在将微透析技术用于组织液中葡萄糖浓度的检测时， 由于微透析不能获得纯的组织液样品，且透析液中的葡萄糖浓度仅仅达到了部分 平衡，所以需要建立校正模型才能得到组织液中的葡萄糖浓度。另外，微透析探 针也需要植入体内，不便于日常家用。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 2 透过皮肤介入型：这一类型的特点是通过物理化学方法破坏皮肤角质层的 完整结构，增大皮肤通透性，进而透皮抽取并检测组织液中的葡萄糖浓度，最终 实现血糖检测。 ( 1 ) 2 0 0 1 年f d a 又批准了另一家公司( c y g n u s ) 的g l u c o w a t c hb i o g r a p h e r 圆 手表式葡萄糖检测系统。该系统应用反向电泳原理以电流透过皮肤迫使部分葡萄 糖分子渗透到皮肤表层以外，然后用酶催化转化和电化学方法进行检测。传感器 极化时间为3 小时，然后每1 5 - 2 0 分钟报一个新的葡萄糖浓度值，单个传感器有 效使用时间1 2 小时【1 0 】i l l 】。虽然g l u c o w a t c h 是真正意义上的即时显示系统( 1 5 分钟一次) ，但是这个系统由于温度、出汗、运动等各种因素影响，时而有数据 不全和不准确的现象。 ( 2 ) 美国的s p e c t r x 公司采用精确控制的脉冲耦合激光消融角质层，使角质 层上产生直径小于1 0 0 微米的微孔阵列。然后采用真空负压通过角质层上的微孔 通道连续抽取组织液，并将组织液收集到包含葡萄糖传感器的贴片上。最后采用 电化学的方法检测组织液中的葡萄糖浓度。该系统的优势包括不包含植入元件， 利用高可控低功率手持式激光仪消融角质层，为组织液抽取奠定基础；在微孑l 处 利用轻微的吸力便可以收集到足够的组织液供葡萄糖检测；贴片中的免洗型生物 传感器可连续测量组织液中的葡萄糖三天或者更多天而无需更换。该系统每5 分 钟给出一个精确的葡萄糖读数，并且当有发生高血糖和低血糖的趋势时会发出警 报i l 引。但是有关激光消融角质层的个体差异性和安全性，以及激光处理后采样的 均匀性、重复性，组织液渗透的稳定性还有待进一步的研究。 ( 3 ) 美国加利福尼亚大学伯克利分校利用m e m s 技术和酶沉积技术研制了免 冲洗的微创自校正连续葡萄糖检测系统，该系统包括从表皮采样组织液的微针阵 列、集成的多孔渗水的多晶硅透析膜和集成的酶基葡萄糖传感器。该系统的自校 正环节，使系统在7 2 小时的使用过程中无需多次采血来进行系统校正【5 】( 1 3 】。但 是该系统对于葡萄糖浓度的线性响应区仅为o - 1 6 0 m g d l ，不能满足糖尿病患者 的血糖浓度检测范围。 ( 4 ) 美国s o n t r a 公司的连续微创葡萄糖检测系统由超声处理仪、带射频发 射装置的葡萄糖生物传感贴片和葡萄糖表组成。该系统利用超声能量使皮肤角质 层的脂质双层无序化，在皮肤上产生可恢复性微通道，使通过这些微通道透皮抽 取组织液成为可能。s o n t r a 公司的初步分析结果显示在超声处理后的2 4 小时内， 他们的无线葡萄糖流量传感器能精确测量透皮葡萄糖，并实时预测血糖水平的变 化【i 】【1 4 】。但是由于他们的葡萄糖生物传感贴片是一次性的，属于耗材，会加重糖 尿病患者血糖检测的经济负担。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 基于低频超声皮肤处理的微创血糖检测技术的发展概况 对于超声增透效应的研究始于上世纪中期。早在1 9 5 4 年，f e l l i n g e r 和 s c h m i d t 就通过超声导入氢化可的松药膏成功的治疗了手指多发性关节炎。随后， 人们对超声增透效应的研究经历了从中频治疗用超声( 0 7 3 o 姗z ) 、高频超声 到低频超声( 1 8 一l o o k h z ) 的过程。最后发现低频超声对皮肤的增透效应是最理 想的。将低频超声用于药物的透皮导入只是在近十年才成为热点话题被广泛研究 的。并且国外有公司和研究机构利用反向思维，成功地将低频超声增透效应用于 组织液透皮抽取，并利用组织液进行生理参数检测，而国内至今还未见有进行相 关研究的报道。 国外现在已经有多个关于利用超声增透效应在老鼠【l 】，【1 4 】。和糖尿病患者n 4 1 身上进行葡萄糖检测实验的报道。为了在人体获得更好的葡萄糖抽取效果，他们 利用2 0 k h z 的低频超声进行2 分钟皮肤预处理，并采用含1 十二烷基硫酸钠的磷 酸盐缓冲液作为耦合剂。在超声皮肤处理后的4 小时内，每2 0 分钟利用真空负 压抽取组织液5 分钟，并通过检测组织液中的葡萄糖浓度来进行糖尿病检测。这 种组织液抽取方法是相当有效的：平均组织液透皮抽取量为2 5i i1 c m 2 h ( 该透 皮抽取量与反向电泳相比要高得多) 。他们分析所抽出的组织液，并对组织液中 的葡萄糖浓度与同时测得的血糖浓度进行比较，获得2 3 的平均绝对误差。他们 通过实验发现，皮肤在超声预处理后对葡萄糖的通透性大大提高，该高通透性能 够保持1 5 小时，并在2 4 小时后恢复到正常水平。超声处理后，个体的皮肤通透 性差异可以达到1 0 倍，所以基于超声方法的微创血糖检测需要对每个患者分别 进行系统校正 1 4 l 。 最近，通过改进超声增透技术，在组织液抽取过程中不加真空负压的情况下 所抽出的葡萄糖也能满足检测要求【1 6 j 。现在超声的作用时间减短了，并且仅利用 乳酸( 一种高渗剂) 就能获得满足检测要求的葡萄糖透皮流量。他们利用这种超 声方法检测了l o 例患者的葡萄糖水平，结果发现6 0 的透皮葡萄糖测量数据与 血糖水平高度相关( r 7 ) 。他们利用c l a r k ee r r o r6 r i d 分析系统的检测精度， 结果发现9 2 的测量结果落入临床上可接受的a 和b 区域。据报道，虽然在该血糖 检测过程中使用了刺激物十二烷基硫酸钠和去角质剂乳酸，但是该过程 不仅是无痛的，而且没有任何副作用。然而还需要对超声皮肤预处理的安全性和 功效性进行长期研究，并且需要对超声处理和组织液抽取的硬件进行优化，需要 分析化学的知识为实现血糖的连续检测奠定基础。另外，虽然已经有文献【l 刀报道 了超声和其它皮肤增透技术( 例如，反向电泳) 的协同增透效应，但是至今还没 天津大学硕士学位论文第一章绪论 有开始对于结合技术的进一步研究。然而，考虑到结合技术研究的复杂性和昂贵 性，现在也很难对该项技术进行全面研究。 1 3 本课题的研究意义和主要工作 临床研究证实强化胰岛素治疗能显著减少糖尿病患者的长期并发症，但是同 时强化胰岛素治疗也会提高发生低血糖事件的危险，所以要使糖尿病有效地得到 控制，实现血糖浓度频繁精确检测的要求是十分迫切的。有创和无创血糖检测方 法的局限性使我们将实现动态连续血糖检测的希望寄托于微创血糖检测方法，鉴 于超声方法与其它微创血糖检测方法相比的优越性，我们选择了超声方法。关于 基于低频超声皮肤处理的微创血糖检测方法研究的报道国外已有多篇，但是国内 至今还未见有进行相关研究的报道。鉴于目前糖尿病扩展趋势之猛，已经成为世 界规模流行病，世界上各医疗器械和医药国际型公司基本上都在涉足血糖检测领 域，所以我国加快对血糖检测方法，尤其是动态连续血糖检测方法的研究已是刻 不容缓。基于低频超声皮肤处理的微创血糖检测技术的研究成功不仅能减轻糖尿 病患者的痛苦，而且能减轻患者家庭和社会的经济负担，必将会对糖尿病研究做 出巨大贡献。 我们之所以选择超声方法进行微创血糖检测研究，是因为考虑到超声方法与 多种微创血糖检测方法相比具有以下优势： ( 1 ) 通过低频超声对皮肤进行短时间( 9 0 s 以内) 无痛的预处理后，能增 大皮肤的通透性，为快速微创的透皮抽取组织液奠定基础。 ( 2 ) 在低频超声处理后皮肤的通透性能保持十几个小时，二十四小时后才 恢复原状态，在保持皮肤高通透性的十几个小时内每隔1 0 2 0 分钟( 如果采用 高分辨率的生物传感器，抽取时间可以进一步缩短) 可通过真空负压抽取一次组 织液，为血糖的动态、方便、密集检测奠定基础。 ( 3 ) 可以很方便的将多种组织液抽取方法与低频超声相结合，即在低频超 声处理后皮肤保持高通透性的十几个小时内，可以采用多种组织液抽取方法( 例 如，被动扩散、低强度超声、真空负压和反向电泳等，考虑到真空负压的抽取效 果最好，所以我们选择真空负压进行组织液抽取) 来透皮抽取组织液，而且在超 声处理后可以将超声系统移走，有利于组织液抽取系统的微型化和集成化。 ( 4 ) 利用低频超声可以实现胰岛素的透皮导入，很容易将基于低频超声皮 肤预处理的微创血糖检测技术与其相结合，形成一个整体，构成一个真正意义上 的人工胰腺。 另一方面，我们从s o n t r a 公司微创血糖检测系统的局限性出发，采用与他 们不同的组织液抽取方法和葡萄糖检测方法进行了微创血糖检测系统的研究。 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 面对基于低频超声皮肤预处理的微创血糖检测研究的重大意义和广阔前景， 我们提出了本课题的研究。本课题主要完成了以下的几项工作： ( 1 ) 系统的调研和分析了连续血糖检测技术和基于低频超声皮肤处理的组 织液抽取技术研究的重要意义、研究现状和发展趋势。 ( 2 ) 讨论和分析了超声的各种生物效应，并着重讨论和分析了超声的空化 作用、超声提高皮肤通透性的机制及影响因素。 ( 3 ) 搭建了包含低频超声皮肤处理装置、真空负压组织液抽取装置和样品 溶液葡萄糖浓度检测装置三部分的微创血糖检测系统。 ( 4 ) 建立了微创血糖检测的校正模型和方法流程，并采用多种方法评估了 微创血糖检测系统的检测精度。 ( 5 ) 基于小型化微创血糖检测系统的整体构想，设计制作了超声换能器及 其电端匹配电路和驱动电路，设计了稳定的真空负压装置，设计了皮肤阻抗检测 控制装置。 天津大学硕士学位论文 第二章低频超声增透效应的机理 第二章低频超声增透效应的机理 超声波与生物组织相互作用，会引起多种生物效应。本章将会分别阐述超声 引起的几种生物效应，并着重阐述在超声皮肤增透效应中发挥重要作用的空化作 用及其增透机理和影响因素，最后推导低频超声处理后皮肤渗透系数的数学模 型。 2 1 超声的生物效应及空化作用 2 1 1 超声及其生物效应 一、超声的定义 超声是频率在1 8 k h z 以上的声波。在自然界中超声是以纵波( 也就是传播方 向与振动方向相同的波) 的形式存在的。纵波引起传播介质的压缩和扩张，导致 介质中的压力变化。当超声能量穿透人体组织时，如果组织吸收能量，那么将会 在组织中发生生物效应。用吸收系数( 口) 来衡量各种组织吸收超声的多少。在 由纵波组成的超声垂直入射到均一组织上时，ix = i 。x e 一，其中ix 是在深 度x 处的强度，厶是在表面处的强度，口是吸收系数。 因为空气的高阻抗，所以要将超声能量传输到人体需要使用耦合剂。现在有 很多种耦合剂可以用于超声传输，大致分为油、水一油乳剂、水凝胶和油膏。 根据超声的频率范围和应用分为三个不同的超声情况： 1 临床成像用高频或者诊断超声( 3 一i o m h z ) 。 2 物理治疗用中频或者治疗超声( 0 7 - 3 o m n z ) 。 3 超声碎石术，抽脂术，白内障乳化，癌症治疗，牙齿除锈和超声手术用低频 或者功率超声( 1 8 一l o o k h z ) 。 二、超声的生物效应 在过去的一个世纪里，人们将很宽频率范围内的超声应用于医学领域。例如， 人们已将治疗用超声用于物理治疗，将低频超声用于牙科，将高频超声用于诊断。 超声的应用领域还在不断扩大，新的医学应用还将出现，包括将高强度聚焦的超 声用于肿瘤治疗，碎石术，超生辅助抽脂术和超声手术仪。 所以人们非常关注超声对生物组织的影响。超声通过三个主要效应影响生物 组织：热效应、空化效应和声流效应。 天津大学硕士学位论文第二章低频超声增透效应的机理 1 热效应 超声的传输介质由于吸收超声而使自身的温度升高。像骨这样对超声具有高 吸收系数的物质与像肌肉组织这样对超声具有低吸收系数的物质相比要禁受更 强的热效应。暴露于给定频率的超声下的介质温度的升高与超声强度和暴露时间 直接相关。介质的吸收系数随超声频率的升高而升高，结果导致温度升高。 最近的一项研究【l 引建议提出一个新安全参数一一时间极限( t i m et o t h r e s h o l d 。t t ) 。假设组织的安全极限是已知的，那么当超声处理时间超过t t 时温度将超过极限温度，并且t t 还指一块组织暴露在超声下保持安全的时间。 2 空化效应 空化是指介质在超声作用下形成气体空穴。形成空化的主要原因是超声在介 质中引起的压力变化。空化既包括气泡的快速膨胀并崩溃( 瞬态空化) ，也包括 超声场中气泡的缓慢振动( 稳态空化) 。空泡崩溃释放的冲击波可以造成周围组 织的结构变化。有些组织包含埋藏在纤维结构中的气袋，当组织暴露于超声中时， 气袋将作为形成空化的核。空化效应与超声频率呈反方向变化，而与超声强度呈 正方向变化。当含气液体暴露于低频超声下时或者当小的充气空间暴露于低频超 声下时，空化效应可能非常显著。 3 声流效应 声流是指在流体中由声波引起的单向流动。声流形成的主要原因是在声波传 播过程中超声的反射和其它畸变。空泡的振动也可能对声流的产生有贡献。由流 动速度引起的切应力可能影响附近组织的结构。当介质的声阻抗不同于其周围的 声阻抗时，当生物介质中的流体可以自由流动时，或者当使用连续波时，声流可 能非常显著。到目前为止，人们才极低程度地发现了声流的一些潜在的临床价值。 n i g h t i n g a l e 等人用声流来帮助区别乳腺囊性病变和增生性病变。这项研究集中 精力探测声流的存在与否，以此作为判断病变是囊性的或者增生性的依据。在血 肿诊断中，s h i 等人将声流探测法作为区别液体血、血凝块或者软组织的工具。 2 1 2 超声空化作用 超声空化( u l t r a s o n i cc a v i t a t i o n ) 是一个极其复杂的物理现象，它是超声 技术应用中的一个十分重要的基础研究课题，近一个世纪来，人们对它的研究兴 趣与热情经久不衰。早在1 8 9 4 年，人们在研究通过局部细窄管道中的水流时，就 观察到空化现象。几乎与此同时，英国海军建造出第一艘驱遂舰，在初期试验就 发现，螺旋桨推进器在水中会引起剧烈振动的现象。t h s r n y c r o f t 与b a r n a b y 认为， 这种振动是由于螺旋桨旋转产生了大气泡( 空穴) ，而这些大气泡又在水的压力下 迅即发生内爆( 崩溃) 而产生的。其后，英国海军邀请r a y l e i g h 勋爵来研究这个问 天津大学硕士学位论文第二章低频超声增透效应的机理 题。1 9 1 7 年r a y l e i g h 发表了题为液体中球形空穴崩溃时产生的压力的著名论 文，为其后的空化理论研究奠定了基础。 超声空化通常是指，液体中存在的微小气泡( 空化核) 在超声波作用下被激活 所表现出的振荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程。附着在固体杂质、微 尘或容器表面上及细缝中的微气泡或汽泡，或因结构不均匀造成液体内抗张强度 减弱的微小区域中析出的溶解气体等均可构成空化核。液体超声空化的过程是集 中声场能量并迅速释放的过程。理论与实验研究已证实，空化过程可以把声场能 量集中( 聚焦) 起来，伴随空化泡崩溃瞬间，在液体中的极小空间内将其高度集中 的能量释放出来，形成异乎寻常的高温( 5 0 0 0 k ) 、高压( 5x 1 0 7 p a ) 、强冲击波、 射流等极端物理条件。 当超声波在液体媒质中传播时，它将引起媒质分子以其平衡位置为中心的振 动。在超声波压缩相内，分子问的距离减小；而在稀疏相( 即负压相) 内，分子距 离将增大。对于强度为哟超声波，其作用于媒质的声压为只= p s i n 山芒( 只为声压 振幅，为超声波的角频率) ，且玛只的关系为仁群2 pc ( p 与扮别为媒质的 质量密度与声速) 。因此，在超声波的负压相内，媒质受到的作用力为尼_ 只( 尼为 液体的静压力) 。倘若声强足够大，使液体受到的相应负压力亦足够大，那么分 子间的平均距离就会增大以至超过极限距离，从而破坏液体结构的完整性，导致 空穴形成。一旦空穴形成，在超声波的作用下，它或保持稳定的径向振荡，或继 续增长并随之被压缩至崩溃。前者称作稳态空化；而后者称为瞬态空化。 稳态空化是指那些在较低声强作用下即可发生的，内含气体与蒸汽的空化泡 行为。稳态空化泡表现为持续的非线性振荡，在振荡过程中气泡定向扩大，当扩 大到使其自身共振频率与声波频率相等时，发生声场与气泡的最大能量耦合，产 生明显的空化效应。 瞬态空化则在较大的声强下发生，而且它大都发生在一个声波周期内。在声 波负压相中，空化泡迅速扩大，随之则在声波正压相作用下，被迅速压缩至崩溃。 在瞬态空化泡存在的时间内，不发生气体通过泡壁的质量转移，而在泡内壁上的 液体蒸发与凝聚却可自由进行。 瞬态空化伴随发生的高温可导致自由基( f r e er a d i c a l ) 的形成及声致发光 ( s o n o l u m i n e s c e n c e ) 的发射，而高压的释放，将在液体中形成强大的冲击波( 均 相) 或高速( 1 l o m s ) 射流( 非均相) 。 2 1 3 影响空化阈值的因素 使液体产生空化所需的最低声压或声强，称为超声空化阈值。超声空化阈值 会受许多因素影响。国内外学者，从理论到实验，对此进行了大量研究，得出不 天津大学硕士学位论文第二章低频超声增透效应的机理 少有应用价值的结果。 首先，对不同性质的液体，由于其表面张力系数、密度、饱和蒸气压、粘滞 性的不同，其空化阈值也各不相同。一般地说，表面张力系数愈大，饱和蒸汽压 愈低，粘滞性愈高，则其空化闽值也愈高。 对同一种液体，其空化阈值与温度、静压力、含气量、含杂质( 固体粒子等) 程度等因素有密切关系。静压力大，含气、杂质少的液体，空化阈值高。因而， 加大静压力和对液体进行除气处理，可提高空化阈值，这常用作抑制空化的手段。 而对液体加温或掺入气体，则能降低其空化阈值。 另外，即使在液体状况均相同的情况下，空化阈值还随照射声波的频率、波 型( 连续波或脉冲波) 、波形参数( 脉宽及重复频率) 而变化。空化阈值随超声 频率的升高而增高；而减少脉宽和重复频率，也能有效地提高空化阈值。 这里应着重指出，空化阈值只表明用声波产生空化的难易程度。它与空化的 各种效应是两回事。 2 2 超声空化作用提高皮肤通透性的机制 人们考虑了多种可能在低频超声增透效应中发挥作用的与超声相关的作用 机理，包括热效应( t h e r m a le f f e c t s ) 、空化作用( c a v i t a t i o n ) 和声流( a c o u s t i c s t r e a m i n g ) 。热效应包括皮肤温度的升高可能提高分子通过皮肤的扩散运 动。空化作用可能通过空泡崩溃发出的冲击波改变皮肤结构。声流( 空泡振动引 起的液体流动) 可能引起通过皮肤的对流。然而，现在人们已经达成共识：空化 作用空泡的形成和崩溃在低频超声增透效应中起主要作用。 2 2 1 人体皮肤的结构及其特性 皮肤是人体最大的器官，覆盖了大约2 m 2 的面积，并且接收到了循环遍及全 身血液的大约1 3 。皮肤是人体的重要屏障，能保护深部组织和维持内环境稳定； 阻挡异物和病原体侵入；限制水分和离子散失；通过神经末梢感受痛、触、压、 冷、热等外界刺激；还能排泄部分代谢产物和调节体温。皮肤由表皮、真皮、皮 下组织和附属器组成。皮肤的分层及各层的组成、特点和功能如表2 1 所示。 表皮是皮肤的最外层，表皮内无血管，所以划破表皮不流血。表皮也是皮肤 中最薄的一层，它的厚度随其在人体中的位置变化。表皮本质上是分层的上皮细 胞，由五个不同的层组成：基底层、棘层、颗粒层、透明层和角质层。角质层是 表皮和皮肤的最外层。一般认为表皮的角质层是限制化学物质向内、向外移动的 主要屏障。角质层的厚度大约为1 51 1m ，由无生命的角化细胞通过结构高度有序 的脂质双层连接而成。有序的脂质双层阻止水和水溶性的化合物( 包括体液和像 天津大学硕士学位论文第二章低频超声增透效应的机理 电解液、蛋白质和葡萄糖这样的重要物质) 流出体外。 真皮连接表皮与皮下组织，是血管、淋巴管、神经及皮肤附属器的支架。主 要由纤维、基质、细胞，还有血管、淋巴管、神经、肌肉和皮肤附属器组成。正 因为真皮层有血管神经分布，所以创伤后会出血，且有痛感。 表2 1 皮肤的分层及各层的组成、特点和功能表 组成或细胞特点功能 角质层细胞角质化，排列紧密屏障作用( 保护) 表 j 良 细胞分裂能力强再生作用 生发层有黑色素细胞黑色素吸收紫外线 ( 保护) 皮致密结缔组织柔韧、弹性( 保护) 肤真皮血管调节体温 感觉神经末梢感受外界刺激 毛发保护 皮肤皮脂腺分泌( 滋润) 附属物 ! 千腺 分泌、排泄、敌热 指( 趾) 甲保护 2 2 2 空化作用发生的位置 在低频超声处理过程中，空化作用主要发生在耦合剂( 超声换能器和皮肤之 间的液体) 中1 1 9 1 。空泡的最大半径由超声频率和声压幅度决定。在低频超声处理 条件下