基于AOTF的近红外经皮无创血糖检测系统研究

文分析了光在手掌组织中的传播特性, 以及经皮近红外无创血糖浓度测量原理。基于AOTF (声光可调谐滤波器) 分光系统, 构建了近红外经皮无创血糖检测系统,并利用该系统对3 名健康青年志愿者进行OGTT (口服葡萄糖耐量试验) 实验, 得到较好的测量结果。三次实验中PLS (偏最小二乘) 校正集模型的RMSEP (预测均方根误差) 分别为0169mmol/ L 、0149mmol . / L 、0154mmol/ L 。

糖尿病及其并发症已成为严重威胁人类健康的世界性公共卫生问题。目前还没有根治糖尿病的有效手段, 主要是采取控制血糖浓度以预防或减轻并发症的发生, 特别是通过频繁地监测血糖浓度并及时调整口服降糖药物和胰岛素的用量。在各种血糖浓度测量方法中, 近红外光谱无创血糖检测技术具有检测快速、无创伤、不易感染、无污染等优点,是血糖测量技术的发展趋势, 也是能够真正实现糖尿病人实时自测血糖的最佳方案1 。利用近红外光谱分析技术进行人体血糖浓度的无创测量, 已成为当前国内外研究的热点课题。血液中的糖类主要是葡萄糖, 简称血糖。其分子式为C6H12O6 , 包含有多个羟基(O —H) 和甲基(C —H) , 均是能够在近红外光谱区产生吸收的主要含氢官能团, 从而为利用近红外光谱测定葡萄糖提供了理论基础。皮肤和大多数组织一样, 以葡萄糖和脂肪作为能源物质。尤其在真皮乳头层中含有丰富的血管丛, 通过分析经过真皮的近红外光谱特征来测量血糖浓度, 被认为是一种可行的血糖浓度测量方法。近年来, 近红外经皮漫反射光谱测量血糖浓度检测技术得到了较好的发展2 。本文构建了近红外光谱无创血糖检测系统, 以手掌作为测量部位, 对真皮内的血糖浓度进行测量研究。

1 　经皮漫反射光谱无创血糖测量原理

111 　手掌组织的光学特性

手掌组织具有明显的分层结构特性3 , 由表皮层、真皮层、皮下组织层和肌肉层组成。其中, 皮肤(包括表皮层和真皮层) 的全层厚度约为4mm ,表皮层的厚度约为013mm 左右, 具体厚度随不同人的年龄、性别等有所差别。由于手掌组织的皮肤层较厚, 而测量所用近红外光源能量相对较弱, 因此,光子进入皮下脂肪组织和肌肉层的概率很低。近红外光在手掌组织内的传输特性(见图1) 。I0 光射入手掌组织, 忽略光在皮下组织层中的传递, 则经手掌表面出射的光实际由3 部分组成: 入射光在手掌表面的镜面反射光I1 , 直接由表皮层扩散反射出的

光I2 , 达到真皮层后扩散反射出的光I3 。由于表皮层内不含有血管, 皮肤组织中的血管都分布在真皮层中, 因此, 在经皮测量血糖浓度时, 只需要分析经过真皮后扩散反射出来的光谱l3下即可。设某一波长入射光在手掌组织内传输的光程长为lλ , 则其扩散反射光的表达式为:

I3 (λ) = I0 (λ) e -μeff

(λ) lλ (1)

μeff (λ) 为该波长光的有效衰减系数(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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