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血糖无创检测.doc

血糖无创检测

diana春霞
2018-04-23 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《血糖无创检测doc》,可适用于综合领域

血糖无创检测血糖无创检测对血糖无创检测的医学认识和说明【摘要】糖尿病患者的自我监测是减少由糖尿病引发并发症的重要手段。在众多无创血糖监测方法中笔者认为近红外光谱分析方法和唾液鉴别法是最具有应用前景的。【关键词】糖尿病、无创检测、概述ZHANGQingYue,FENGGiHong(BiomedicalEngineeringCenter,BeijingUniversityofTechnology,Beijing,)【Abstract】SelfmonitoringofbloodglucosefordiabetesiscrucialinthereductionofcomplicationsrelatedtodiabetesmellitusAmongallthemethods,IthinkNearinfraredabsorptionspectroscopyandsalivaryanalysisarethemostpromisingmethodsforthenoninvasiveapplicationtoday【Keywords】diabetesmellitus、nontraumaticcheckingup、summarization引言糖尿病是一种常见病,它是现代疾病中的第二杀手,其对人体的危害仅次于癌症,已成为危及人类生存质量的罪魁祸首,并且随着经济的发展、体力劳动的减少,现在的糖尿病有扩大化和年轻化的倾向。根据最新的流行病学调查资料,我国糖尿病患病率达,患者人数多达到年,全世界的糖尿病患者将达到亿。无创血糖检万。据世界卫生组织预测,测技术是在不损伤皮肤的条件下测量出人体血液中血糖浓度的新方法。它能解除糖尿病患者经常化验所需要的针刺取血的痛苦,避免病毒通过血液传染的危险。同时它能有效地提高对血糖监测的水平,降低患者的患病机率。无创血糖浓度检测方法无创伤血糖检测研究主要是通过提取光学信息来测量患者血糖浓度。以光子作为信息的载体,以及通过分析光子所载信息的方法引起了研究者的广泛兴趣,各国科学家进行研究和探索光学信息的方法包括近红外光谱分析法、远红外光谱分析法、激光拉曼光谱分析法、声光谱分析法、光散射谱分析法以及光偏振谱分析法以及微波检测法和唾液检测法等等。红外光谱分析方法,通过对一束红外光透过人体组织或者由其反射的光谱信号分析,确定患者体内血糖浓度的含量。目前较有效的光谱范围是近红外区(波长为μm,μm)。红外光谱分析方法分为近红外光谱方法和远红外光谱方法。近红外光谱方法利用红外光谱的外部光源,通过收集被身体某一部位透射或者反射后的近红外光谱,与参考光波谱进行比较,获得近红外光波段的吸收光谱,通过综合分析确定血糖浓度的含量。这种方法所使用的光源功率较低,但是由于血糖的近红外吸收谱只占不到人体近红外吸收谱的,水、脂肪、皮肤、肌肉、以及骨骼对近红外的吸收谱占大部分。因此,这种方法的信噪比非常低,测量的精确度不高。近年来研究者们在近红外光谱分析,,中采用各种不同的数值算法,比如多元线性回归(SMLR)、主成分回归(PCR)、偏最小二乘法(PLS)、马氏距离、SIMCA(SoftIndependentModelingofClassAnalogy)等模式识别方法以及人工神经网络(ANN)、遗传算法、小波变换、径向函数网络、阵列信号处理等方法来适当选取波长范围或有效提取和压缩信息,试图提高信噪比,但是到目前为止,仍然没有应用于临床的报道。远红外光谱方法不需外界光源,由于人体本身就是一个远红外发射源,其发射光谱范围为nm,nm之间,血糖在nm,nm附近具有强吸收谱段,通过对Planck黑体辐射理论的计算和远红外光谱的测量分析,根据血糖浓度与吸收谱之间的直接线性关系,可以推测血糖浓度的含量。但由于人体所发射的远红外谱非常微弱,外界信号的影响很难排除,导致信噪比不高,影响测量精度。另外标准的收集设备中包含低温冷却红外探测器,需要不断地补充冷却液(液氮),所以使用起来并不方便。激光拉曼光谱法:当激光作用于葡萄糖时会发生拉曼散射效应,即产生微弱的斯托克斯线(stokesline)和反斯托克斯线(antistokesline)。按照光量子理论,入射光子和一个处于初态能级的分子作弹性碰撞,光子与分子之间发生能量交换,光子不仅改变运动方向,还把一部分能量传递给分子,或从分子取得一部分能量。由于拉曼散射光与瑞利散射光的频率之差(拉曼位移)和物质分子的振动、转动能级差有关,因此,拉曼位移是表征物质分子振动、转动能级的一个物理量。利用该原理,可以根据测得的拉曼光谱分析得到葡萄糖的浓度,。但是,由于生物组织的吸收和散射效应,Raman信号检测极其困难另外,蛋白质类分子产生的背景荧光信号强度经常与Raman信号相当。基于上述各种原因,Raman方法一般选用眼前房作为最佳测量部位。但受到眼睛的安全辐射剂量限制,入射光能很小,使能检测到的信号更加微弱。因此,拉曼光谱方法在人体内成分检测领域的研究处于起步阶段,离体组织研究结果发表较多,。到目前为止,尚未见到该种方法用于体内某成分浓度在体测量的临床数据发表。声光谱方法:它是采用脉冲激光束照射某一吸收物质,导致照明区急剧快速的热膨胀,能量的热膨胀以声波的方式释放出来,通过收集声波的频率和强弱来推知照明区的化学成分和含量。由于此方法引起照明区域一系列物理上的改变,这些变化反过来影响测量的精度。光散射谱方法:收集被人体某一区域散射的光,通过综合参考光和散射光谱的改变来推测血糖浓度的含量,其中利用光学相干层析术已经取得了较吸引人的结果。但这种方法受各种因素如体内温度以及体液流动速度的影响,目前仍在探索之中。光偏振方法:它是利用糖的旋光性:当偏振光沿光轴方向在糖溶液中传播时,偏振光的振动面能够自行旋转,其旋光度与糖溶液浓度与路程的乘积成比例。此方法常用来测量人眼球水状体中的血糖浓度。但由于人体血糖含量很低,因此光偏振面方向的改变很小,对于厘米长的光程,每毫克分升的血糖浓度的改变,偏振面方向的改变仅仅为度,因此在测量过程中需要非常稳定的外部环境和患者的耐心配合,微小的震动就可能导致测量结果的不可信。微波检测法:微波检测法的基本原理是:当微波通过葡萄糖溶液时,葡萄糖溶液中的离子(尤其是钠离子)会影响微波的预期路径。离子对微波产生一定的阻抗,削弱其振幅并使其发生相移。该阻抗的大小会受到周围葡萄糖分子的影响,且因葡萄糖浓度的不同而不同此外,在同样的葡萄糖浓度下,该阻抗的大小还因微波频率的不同而变化。因此,选用或个适当频率的微波通过人体组织,根据检测到的微波的变化情况,分析可测得血糖浓度。微波检测法还可以无创伤的检测其它分子,如胆固醇、糖基蛋白质等的含量。微波检测法的主要优点是速度快,但微波通过人体组织时,其损耗较大,给微波检测法的应用带来了一定的困难。日本Kokushikan大学的YNikawa,DSomeya等人近年来对微波检测法作了深入的研究,,他们发现对于人体组织,低于GHz的电磁波其传导损耗较大,而高于GHz的电磁波其介电损耗为主要因素。唾液检测法:医务专家们通过大量的实验研究,证明血糖浓度与唾液中所含的淀粉酶成正比,所以可通过测量人体口腔中唾液含淀粉酶的多寡间接地知道血糖的高低。此种方法,可以避免病人因消毒不严而引起的细菌感染另一方面,由于是无创探测,无痛苦,可以让所有病人都能接受。针对这种探测方法,除了要求研究高灵敏度、高特异性的试纸外,还应该研究高灵敏度和高线性度的检测装置。目前第三军医大学正在开展研究。国内外研究进展随着糖尿病发病率越来越高,血糖浓度测量受到越来越多的重视。国际上众多科研机构都开展了无创血糖检测的研究,检测方法也多种多样。在家庭环境中进行血糖监测是病人自我控制的重要手段和方法,在国内外市场上有不少用于自我监测的仪器,如美国强生Lifescan的ONETOUCH、德国的Accuchekinstant和罗氏诊断公司的Gluctrend血糖仪等,这些仪器在精度和稳定性上存在一定的争议,并且没有改变有创的采样方法。因此,高精度无创的血糖监测仪器的研究有着广阔的应用前景。近年来,国内外在利用近红外光谱对血糖分析方面开展了诸多研究,取得了一些进展,许多学者和专家在监测的方法和光谱区域的选择上做了许多工作。目前,国际上有数十个科研机构正在开展近红外无创血糖仪的研究:德国的HMHeise研究组、美国的GWSmall研究组和MAArnold研究组等在这方面都进行了大量的基础性研究。Heise等人提出使用去水样品和短光程的方法,以排除由于水的吸收率较大而形成的干扰运用漫反射技术来建立血糖浓度的校正模型。在无创测量人体血糖浓度方面,采用口腔内静脉血作为样品,光谱的采集区间为两个水的吸收峰较高的nm和nm之间的区域,这样的校正模型误差大约在mmolL左右。麻省理工的KamalyoucefToumi等认为,用近红外测量葡萄糖的浓度时,近红外区分布着葡萄糖吸收信号的合频和倍频,葡萄糖的吸收峰在nm处,温度的变化对葡萄糖吸收也有影响,影响无创血糖测量的关键因素为:信噪比较低测量的不可重复性。同时,水在nm,nm和nm,nm处透射率较大,且在nm,nm处重复性比较高,因此选用这一波段来对葡萄糖浓度进行建模,由于人体组织的变化对光谱的改变远大于血糖浓度变化对光谱的改变,所以测量很可能是不可重复的,所以需要对每种组织的噪声光谱特点进行研究。对于影响测量精度,特别是水和温度的影响,在建立数学模型时必须采取一定的方法给予矫正。Robinson等人力图在nm,nm和nm,nm两个重叠区域进行无创性血糖检测,此区域包含了vOH和vCH的葡萄糖倍频波长。他们已经在三项研究中发表了标准定位误差(SEC)在mmolL和mmolL之间的数据,但测量过程中存在较大的基线偏移。Fuurex公司的Rosenthal等人提出通过对人体部位透射或反射在nm,nm的光,并用一组过滤器和探测器对光进行分析。这个光谱包含了水光谱和vOH和vCH的葡萄糖倍频波长。原理上,在波长选取、公式标定接近近红外品质分析法,且该方法适用于人体这样一个复杂体系。但所选波长的数目受到了限制。MichaelJM等人,在用近红外光谱对血糖浓度的测量中,使用偏最小二乘法来建立校正模型,取得了比较理想的结果。在光谱的分析方面,偏最小二乘法、人工神经网络和小波变换是当前常用的方法,他们各有特点。StephenFMalin等人用漫反射光谱进行人体无创血糖浓度的测试。Arnold等人在时间确定方式采集光谱的基础上研究体内血糖测量的有效性他们把数字滤波技术用于牛血浆葡萄糖浓度的测定通过引入傅立叶滤波以减少噪声和基线偏移。结果表明近红外光谱可用于测定血浆基质中的葡萄糖浓度准确度和精度在允许的误差范围内。与国外研究相比,国内起步较晚,但近年来人体内无创近红外光谱检测技术也正在逐渐展开。长春中科院长春光机与物理所和吉林大学的丁东等人利用红外技术进行了大量的血糖无创的基础研究。清华大学电机工程系生物医学工程所人体运动信息检测研究室的黄岚,丁海曙,王广志等人进行了近红外漫反射光谱在无损检测血糖的初步研究。上海中医学院莫希等人仿照双波长血氧饱和仪的原理建立了血糖连续、无创、定量检测的数理模型进行了理论上的推导。莫希等人以光谱测量法为理论依据,建立了血糖无创检测的数理模型。天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室的徐可欣和中国医科大学沙宪政、李明菊等人在无创血糖的近红外光谱检测方面,也做了大量的研究。虽然近红外光谱法血糖测量是无创血糖监测最好的发展方向,但由于被测对象是活人信号又非常微弱,并且一些相关问题涉及的学科较多而且复杂。就当前研究现状而言,还存在着诸如测量条件的选取、重叠光谱中提取微弱化学信息的方法等关键性问题需要彻底解决。只有解决这些问题,无创血糖检测技术的研究才能得到突破性的进展,才能真正实现临床应用。小结与展望在各种无创血糖检测方法中,近红外无创血糖检测技术由于其自身的优点,被认为是最有应用前景的无创血糖检测技术之一,也是目前投入研究最多的无创光谱检测技术之一。在用近红外光谱分析技术进行无创血糖监测中,由于葡萄糖分子在近红外吸收值很小、干扰很大而且要求仪器精度和信噪比较高在测量时,受到人体其他成分如骨骼、肌肉、脂肪和皮肤的干扰很大对外界环境的要求也很高,因此建立数学模型时不仅需要考虑提高精度,还要考虑实际在仪器开发时的可行性,目前的研究还只停留在科研攻关阶段,并没有能真正应用到临床上。但是,由于无创血糖监测作为一种先进的血糖监测技术,可以使患者在家中随时检测血糖浓度的变化控制饮食或及时就医。尽管在研究过程中会有许多难以克服的障碍,但随着研究和认识的深入,相信能够找到解决问题的方法和途径。因此,具有很大的研究和实用价值。而唾液检测法更是一种新的思路。医务专家们通过大量的实验研究,证明血糖浓度与唾液中所含的淀粉酶成正比,所以可通过测量人体口腔中唾液含淀粉酶的多寡间接地知道血糖的高低这是非常振奋人心的事情。通过这种方法,就可以避免病人因消毒不严而引起的细菌感染另一方面,由于是无创探测,无痛苦,可以让所有病人都能接受。针对这种探测方法,除了要求研究高灵敏度、高特异性的试纸外,还应该研究高灵敏度和高线性度的检测装置这是我们以后工作的重点。总的来说,无创血糖检测是血糖测量的发展趋势,是能够真正实现糖尿病人实时自测血糖的唯一方案。结合自己生活作为一名医学院学生我学到了一些有关论文课题研究的BRUULSEMAJT,HAYWARDJE,FARRELLTJ,etalCorrelationbetweenbloodglucoseconcentrationindiabeticsandnoninvasivelymeasuredtissueopticalscatteringcoefficientJOpticsLetters,,():WICKSTEDJP,ERKENSRJ,MOTAMEDIM,etalRamanspectroscopystudiesofmetabolicconcentrationsinaqueoussolutionandinaqueoushumorspeciesJAppliedSpectroscopy,,:ZHAOZPulsedphotoacoustictechniquesandglucosedeterminationinhumanbloodandtissueDNetherlands:ZHAOZ,ESENALIEVRO,LARINKV,LARINAIV,etalNoninvasivemonitoringofglucoseconcentrationwithopticalcoherencetomographyJOpticsLetters,,():CHOUC,HANCY,KUOWC,etalNoninvasiveglucosemonitoringinvivowithanopticalheterodynepolarimeterJAppliedOptics,,():SAVAGEMB,KUNS,HARJUNMAAHDevelopmentofanoninvasivebloodglucosemonitorCApplicationofartificialneuralnetworksforsignalprocessingProceedingsoftheIEEEthAnnualNortheast,:LIM,SHAX,WANGXSpectroscopicandclinicalaspectsofnoninvasivebloodglucosemeasurementsJForeignMedicalSciences,():BLANKTB,RUCHTITL,LORENZAD,etalClinicalresultsfromanoninvasivebloodglucosemonitorCProceedingsofSPIE,,:Chaikenj,FinneyWF,KnudsonPENoninvasivebloodanalysisbytissuemodulatedNIRRamanspectroscopyProceedingsofSPIETheInternationalSocietyforOpticalEngineering,Apr,Sponsoredby:SPIE,ShawAdrianD,KaderbhaiNaheed,etalBiotransformationbyyeastofglucosetoethanolusingdispersiveRamanspectroscopyandchemometricsAppliedSpectroscopy,():KangerJS,deMulfritsFM,OttoCNoninvasivedetectionofglucoseusingRamanspectroscopyProceedingsofSPIE,,:BergerAJKooTW,ItzkanI,etalMulticomponentbloodanalysisbynearinfraredRamanspectroscopy,AppliedOptics,,():DSomeya,YNikawaMYamamotoMeasurementofBloodSugarLevelUsingMillimeterWavesKoreaJapanMicrowaveWorkshop(KJMW)Proceeding,Korea,,YNikawa,DSomeyaApplicationofMillimeterWavetoMeasureBloodSugarLevelProceedingofAPMC,Taibei,Taiwan,,李明菊,沙宪政,王秀章无创性血糖的光谱检测及临床研究状况J国外医学生物医学工程分册,():马海涛,丁东,崔继承,唐玉国近红外光谱在无创血糖监测中的应用J仪器仪表学报,():陈文亮,徐可欣,杜振辉,刘蓉,范世福人体无创血糖检测技术J仪器仪表学报,()::

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