血糖值的无创监测

1、无创式血糖值传感器无创式血糖值传感器 晋晓飞现代生物医学仪器传统的血糖检测仪原理：原理：血糖仪的原理主要分两种：光化学法和电化学法。光化学法的血糖仪类似CD机，有一个光电头。这种血糖仪价格比较便宜，但探测头暴露在空气里，很容易受到污染，影响测试结果，误差范围在正负0.8，因而，必须经常清洁光孔，使用两年后建议到维修站做一次校准。电化学法的血糖仪可以避免污染，误差范围在正负0.2。正常使用的情况下，不需要校准。 采血：采血：目前血糖试条有两种采血方式：滴血式和虹吸式。滴血式的血糖试条，测试时需要血样多，需要将血样滴加到试条上，血滴太多、太少或者位置不准确都会影响测试值。而采用虹吸自动吸血方式的血

2、糖试条，需要血样少，加样量可以自动控制，试纸有能显示血液是否适量的确认点，操作简单，也可避免加血样误差，进而保证测试结果的准确性。 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：微创血糖检测仪、无创血糖检测仪连续式血糖检测仪。无创血糖测量技术的发展与现状目前，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

3、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。几种无创血糖监测方法一、微波无创血糖检测法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

4、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。二、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

5、到确定的谱线分析是这种方法能否实际操作的关键。项目的设计者试图用一种类似核磁共振成像原理的装置，对糖尿病进行检测。Megnetic Diagnotics 公司的Multi-analyte Meter 就是利用这一理论设计出一种无创血糖检测装置。在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。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、

6、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。三、利用唾液进行无创血糖检测第三军医大学的马显光等人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。超声波血糖检测仪的原理是使用超声波发射仪器

7、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。四、超声波血糖检测聚光断层摄影即OCT（ (Optical coherence Tomography)技术在1991年由Fujimoto 等人提出

8、后，广泛用于医学影像及诊断。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。五、聚光断层摄影检测血糖六、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，葡萄糖作为人身体主要的能源供给物质

9、，在氧气供应充足的情况下，肌体内会产生下列化学反应：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等人做出以下假设：人体产热=人体散热；人体处于静息状态，对外做功等于0；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；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；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

10、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。能量守恒方法测量流程图2015年4月，日本原子能研究开发机构（JAEA）开发出了手掌大小的无创式血糖值传感器。这是借助中红外激光的小型化、高输出化而实现的，经基础实验确认，能够达到临床需要的检测精度。在4月1113日召开的“第29届日本医学会总会”的学术演讲部分，JAEA量子束应用研究中心研究主管山川考

11、一在“预防医疗及其基础技术和分析方法”分会上登台，以“使用中红外激光的无创血糖仪的开发”为题，详细介绍了该血糖值传感器。 基于中红外激光的无创式血糖传感器注：红外光: 760nm红外光按波长不同可划分为若干个区域，波长780nm2500nm 的区域称为近红外区，波长2500nm25000nm 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。无创式血糖传感器的设计原理原理：通过人体对近红外线、中红外线或远红外线的频谱分析，提取血糖值。当用红外线照射人体时，与血糖无关的人体组

12、织，如皮肤、骨骼、肌肉、水等，将吸收大部分红外线，余留少量代表血糖特征的反射或吸收红外线，称为血糖特征频谱信号，可用来提取血糖值。主要难度：作为无创血糖值传感器的实现方法之一，研发人员一直在研究使用中红外区域激光的方法。这种方法利用的是中红外线被葡萄糖吸收多、被水和醇以外的人体成分吸收少的性质。但在中红外区域很难提高激光的输出功率，得不到足够的测定精度（信噪比）。激光的小型化也难以实现。 山川等人这次开发出了指尖尺寸的YAG激光。将振荡产生YAG激光的半导体激光器，以及利用YAG激光发生振荡的光学参量振荡器组合到一起，制作出了峰值强度是过去10万倍的中红外激光。 YAG激光的振荡波长为1um，通过光学参量振荡器转换成波长为9um的中红外光。因为激光输出频率高达数百Hz，而且无需多变量分析等处理，检测只需3秒左右即可完成。激光的脉冲宽度在ns等级，照射到人体“不痛不痒”。通过开发能够在指尖进行测量的鼠标型激光照射装置，进一步实现小型化。成功使无创血糖值传感器缩小到了手掌大小。基于YAG激光的无创式血糖传感器(Neodymium-dopedYttriumAluminiumGarnet; （Nd)钕Y3Al5O12)或中文称之为钇铝石榴石晶体，钇铝石榴石晶体为其激活物质，体晶体内之Nd原子含量为0.61.1%