基于AOTF的近紅外經(jīng)皮無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)研究

文分析了光在手掌組織中的傳播特性, 以及經(jīng)皮近紅外無創(chuàng)血糖濃度測量原理?；?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/AOTF">AOTF (聲光可調(diào)諧濾波器) 分光系統(tǒng), 構(gòu)建了近紅外經(jīng)皮無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng),并利用該系統(tǒng)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(jié)果。三次實驗中PLS (偏最小二乘) 校正集模型的RMSEP (預(yù)測均方根誤差) 分別為0169mmol/ L 、0149mmol . / L 、0154mmol/ L 。

糖尿病及其并發(fā)癥已成為嚴重威脅人類健康的世界性公共衛(wèi)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(yù)防或減輕并發(fā)癥的發(fā)生, 特別是通過頻繁地監(jiān)測血糖濃度并及時調(diào)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(chuàng)血糖檢測技術(shù)具有檢測快速、無創(chuàng)傷、不易感染、無污染等優(yōu)點,是血糖測量技術(shù)的發(fā)展趨勢, 也是能夠真正實現(xiàn)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(shù)進行人體血糖濃度的無創(chuàng)測量, 已成為當(dāng)前國內(nèi)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(qū)產(chǎn)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(chǔ)。皮膚和大多數(shù)組織一樣, 以葡萄糖和脂肪作為能源物質(zhì)。尤其在真皮乳頭層中含有豐富的血管叢, 通過分析經(jīng)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(jīng)皮漫反射光譜測量血糖濃度檢測技術(shù)得到了較好的發(fā)展2 。本文構(gòu)建了近紅外光譜無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng), 以手掌作為測量部位, 對真皮內(nèi)的血糖濃度進行測量研究。

1 　經(jīng)皮漫反射光譜無創(chuàng)血糖測量原理

111 　手掌組織的光學(xué)特性

手掌組織具有明顯的分層結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jīng)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(nèi)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(jīng)皮測量血糖濃度時, 只需要分析經(jīng)過真皮后擴散反射出來的光譜l3下即可。設(shè)某一波長入射光在手掌組織內(nèi)傳輸?shù)墓獬涕L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(shù)(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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