基于AOTF的近紅外經皮無創血糖檢測系統研究

文分析了光在手掌組織中的傳播特性, 以及經皮近紅外無創血糖濃度測量原理。基于AOTF (聲光可調諧濾波器) 分光系統, 構建了近紅外經皮無創血糖檢測系統,并利用該系統對3 名健康青年志愿者進行OGTT (口服葡萄糖耐量試驗) 實驗, 得到較好的測量結果。三次實驗中PLS (偏最小二乘) 校正集模型的RMSEP (預測均方根誤差) 分別為0169mmol/ L 、0149mmol . / L 、0154mmol/ L 。

糖尿病及其并發癥已成為嚴重威脅人類健康的世界性公共衛生問題。目前還沒有根治糖尿病的有效手段, 主要是采取控制血糖濃度以預防或減輕并發癥的發生, 特別是通過頻繁地監測血糖濃度并及時調整口服降糖藥物和胰島素的用量。在各種血糖濃度測量方法中, 近紅外光譜無創血糖檢測技術具有檢測快速、無創傷、不易感染、無污染等優點,是血糖測量技術的發展趨勢, 也是能夠真正實現糖尿病人實時自測血糖的最佳方案1 。利用近紅外光譜分析技術進行人體血糖濃度的無創測量, 已成為當前國內外研究的熱點課題。血液中的糖類主要是葡萄糖, 簡稱血糖。其分子式為C6H12O6 , 包含有多個羥基(O —H) 和甲基(C —H) , 均是能夠在近紅外光譜區產生吸收的主要含氫官能團, 從而為利用近紅外光譜測定葡萄糖提供了理論基礎。皮膚和大多數組織一樣, 以葡萄糖和脂肪作為能源物質。尤其在真皮乳頭層中含有豐富的血管叢, 通過分析經過真皮的近紅外光譜特征來測量血糖濃度, 被認為是一種可行的血糖濃度測量方法。近年來, 近紅外經皮漫反射光譜測量血糖濃度檢測技術得到了較好的發展2 。本文構建了近紅外光譜無創血糖檢測系統, 以手掌作為測量部位, 對真皮內的血糖濃度進行測量研究。

1 　經皮漫反射光譜無創血糖測量原理

111 　手掌組織的光學特性

手掌組織具有明顯的分層結構特性3 , 由表皮層、真皮層、皮下組織層和肌肉層組成。其中, 皮膚(包括表皮層和真皮層) 的全層厚度約為4mm ,表皮層的厚度約為013mm 左右, 具體厚度隨不同人的年齡、性別等有所差別。由于手掌組織的皮膚層較厚, 而測量所用近紅外光源能量相對較弱, 因此,光子進入皮下脂肪組織和肌肉層的概率很低。近紅外光在手掌組織內的傳輸特性(見圖1) 。I0 光射入手掌組織, 忽略光在皮下組織層中的傳遞, 則經手掌表面出射的光實際由3 部分組成: 入射光在手掌表面的鏡面反射光I1 , 直接由表皮層擴散反射出的

光I2 , 達到真皮層后擴散反射出的光I3 。由于表皮層內不含有血管, 皮膚組織中的血管都分布在真皮層中, 因此, 在經皮測量血糖濃度時, 只需要分析經過真皮后擴散反射出來的光譜l3下即可。設某一波長入射光在手掌組織內傳輸的光程長為lλ , 則其擴散反射光的表達式為:

I3 (λ) = I0 (λ) e -μeff

(λ) lλ (1)

μeff (λ) 為該波長光的有效衰減系數(mm- 1)

μeff =μeff-epi +μeff- derm (2)

μeff-epi = 3μs-epi [μa-epi + Us - epi (1 - gepi) ] (3)

μeff- derm = 3μs- derm [μa- derm +μs- derm (1 - gderm) ]

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