近紅外光譜無創血糖檢測技術研究

　　糖尿病是一種內分泌疾病。據報導，1997年全世界的糖尿病患者超過1.2億，到2010年將會增長到2.2億以上。現有對糖尿病較有效的治療手段是通過頻繁的檢測和胰島素注射來對血糖濃度進行控制，從而減少或減輕由糖尿病導致的并發癥。

　　檢測血糖的方法主要是從體內抽取血液通過生化檢測進行分析，這屬于有創傷檢測，有創傷檢測給患者帶來的痛苦和不便。無創性血糖檢測已引起人們極大的關注，其意義是：（1）減少患者天天采血丈量的痛苦，進步病人的生存質量；（2）可進步丈量次數，進步血糖控制精確度，降低糖尿病并發癥發生的危險；（3）降低每次丈量的本錢；（4）有可能形成含有檢測器和胰島素注射的閉環循環系統；（5）其丈量方法和原理可以推廣應用到其它血液成分的檢測。在無創性血糖檢測研究中使用較多的是紅外光譜分析方法，通過對一束紅外光透過人體組織或者由其反射的光譜信號分析，確定組織內葡萄糖的含量。目前較有效的光譜范圍是近紅外區（波長為0.7um-2.5um）。

　　2紅外光譜檢測葡萄糖的原理和方法2.1水溶液中葡萄糖的近紅外吸收有機分子在近紅外光譜區的吸收主要是由于含氫基團的分子振動的倍頻與合頻吸收造成的[1]。有機分子的倍頻和合頻光譜能夠得到分子結構、組成狀態的信息。有機物近紅外光譜，其特征性強，受分子內外環境的影響小，但倍頻和合頻比基頻吸收帶寬得多，使得多組分樣品的近紅外光譜在不同組分的譜帶、同一組分中不同基團的譜帶以及同一基團不同形式的倍頻、合頻譜帶發生嚴重的重迭，從而使近紅外光譜的圖譜解析異常困難。在混合物中的化學組分，很難再分離出每種組分單一、無重疊的吸收光譜。在有強烈水的背景吸收情況下的生物混合液，常規方法很難丈量出低濃度物質的含量。水是生物組織中的主要成分，不但有單一的紅外光譜，還有豐富的擴展到近紅外區域的合頻和倍頻光譜。對水的紅外光譜分析可知，水在波長為2.01um-2.5um的吸收較小，形成一個被稱為水傳輸窗的區域，所以水溶液物質最好的分析波長為2.0um-2.5um。水在3um以上其吸收率大于6AU/mm，很難丈量其它物質。

　　2.2葡萄糖光譜的特異性在葡萄糖固體和葡萄糖溶液中所得的葡萄糖紅外吸收的基頻早已有報導。葡萄糖伸縮振動能產生很強的合頻和倍頻吸收帶。葡萄糖水溶液的近紅外（2.0um-2.5um）光譜的丈量有吸收峰，葡萄糖的光譜是唯一的，但葡萄糖紅外區的合頻和倍頻光譜與水、脂肪和血紅蛋白電子吸收波段的幾個合頻和倍頻頻率相互重迭，即被其它成分的光譜所覆蓋。這是葡萄糖紅外光譜丈量的主要干擾。有機混合物對在近紅外區吸收譜帶的重迭以及漫反射光譜并不是各成分單獨存在時光譜的迭加。組織吸收對葡萄糖丈量也有影響，在手指這樣小的部位中近紅外光會削弱3-4個吸收單位，而5mmoL／L的葡萄糖濃度變化，光譜吸收的變化約10-5個吸收單位。組織光散射對葡萄糖丈量的影響也很大，組織散射的光強、定位誤差和身體各因素的影響是最主要的丈量誤差，這些都影響近紅外光譜學在血糖檢測中的應用。

　　2.3光譜分析方法在紅外光譜分析時化學計量學方法是很有效的。化學計量學（Chemometrics）采用多元分析校正統計學方法與計算技術，解析化學丈量數據，由紅外光譜算出樣品各成分的含量。現在常用的多元分析校正方法中，進行血糖檢測光譜分析效果較好的是偏最小二乘法（PLS），它將已知的葡萄糖濃度的光譜組，用主因子分析作定量計算的方法，對光譜矩陣進行特征向量分析，然后使用多元線性回回，找出極小的光譜變化和分析物濃度之間的關系，消除與葡萄糖無關的光譜變數，得出校正光譜，通過校正光譜和樣品光譜的內積（即點積）確定葡萄糖濃度。

　　3離體檢測和在體檢測的研究現狀3.1離體近紅外光譜混合葡萄糖溶液丈量JonathonT。Olesberg等使用80個含有葡萄糖、乳酸鹽、丙胺酸、抗壞血酸鹽、尿素和乙酸甘油酯樣品，丈量葡萄糖溶液在2.0um-2.5um波長帶寬范圍內的光譜，使用PLS校正光譜猜測溶液成分的濃度。結果表明，在0-35mm內葡萄糖溶液的丈量猜測標準差為0.39mm，乳酸鹽為O.12mm，丙胺酸為0.53mm，抗壞血酸鹽為0.23mm，尿素為0.11mm，乙酸甘油酯為0.12mm，結果比較滿足。目前在成分從簡單到復雜的水溶液中是可以猜測葡萄糖濃度的，但這些溶液相對血液或血漿還很簡單，研究的成分最多是5種，所以還需進一步研究更多成分的水溶液來模擬血漿或血液系統。

　　3.2血漿或全血近紅外光譜葡萄糖丈量Haahand從人群中獲得了4個不同的全血樣本，并將葡萄糖加進其中。對每個個體，預備葡萄糖濃度從（3-743）mg/dl變化的20個血液樣本，然后在（1.5-2.3）um范圍內收集每個樣本的近紅外光譜，再利用參照葡萄糖濃度，用這些光譜往創建PLS定標模型。對所得光譜進行研究之后表明，2.0um-2.3um含有很有多的葡萄糖信息。利用這段區域，所得交叉校驗的SEP值為30.5mg/dL。這個誤差很大，但它可以通過增加定標樣本的數目和控制掃描過程中樣本的溫度而有所減少。