近紅外透射法血糖無創(chuàng)檢測光學(xué)子系統(tǒng)的構(gòu)建與分析

楊星 季忠 楊力 彭承琳

(重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400030)

引言

糖尿病是臨床多發(fā)病癥，嚴(yán)重威脅著人體的健康。實(shí)踐證明，連續(xù)檢測糖尿病患者的血糖濃度，對于指導(dǎo)臨床合理用藥、減少并發(fā)癥發(fā)生具有重要作用[1]。傳統(tǒng)的血糖濃度檢測方法操作較繁瑣，檢測過程中會給患者造成疼痛，同時還有感染其他疾病的危險(xiǎn)[2-3]，不利于血糖的頻繁檢測。為此，研究無創(chuàng)血糖檢測技術(shù)，有利于減輕糖尿病患者的檢測痛苦，實(shí)現(xiàn)血糖濃度的實(shí)時監(jiān)測。

目前，無創(chuàng)血糖檢測的原理和方式有多種。其中，由于近紅外光對于體液和軟組織的良好穿透性，近紅外方法成為了血糖無創(chuàng)檢測的理想方法之一。但是，目前的方法大都需要依靠光譜儀獲取數(shù)據(jù)，而光譜儀屬于大型設(shè)備，成本不菲。同時，在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析建模中，并不是所有數(shù)據(jù)都起到了作用，造成數(shù)據(jù)處理量大，數(shù)據(jù)有效使用率較低。

為此，本研究根據(jù)比爾-朗伯定律，通過特定波長的LED光源，運(yùn)用近紅外透射法，構(gòu)建了無創(chuàng)血糖檢測光學(xué)子系統(tǒng)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和模型建立奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 基本原理

光在組織中的傳播服從光的吸收定律，即比爾-朗伯(Beer-Lambert)定律[4]。設(shè)一束強(qiáng)度為 I0的平行單色光入射到某樣品中，由于部分光線被吸收，透過的光強(qiáng)為It，則

式中，A為樣品對入射光的吸收程度(稱為吸光度);ε為吸收物的吸光系數(shù)，d為樣品的光程，c為吸收物的濃度。

根據(jù)血糖對近紅外光的吸收特性，血糖對1550 nm波長吸收較強(qiáng)，可攜帶組織中的血糖濃度信息;而對1300 nm波長的吸收較弱，可用在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中，減少組織結(jié)構(gòu)對血糖濃度檢測的影響[5]。在血糖檢測中，對固定波長λ1=1550 nm、λ2=1300 nm的透射光進(jìn)行檢測。設(shè) LD1、LR1分別為1550 nm波長的測量光強(qiáng)和參考光強(qiáng)，LD2、LR2分別為1300 nm波長的測量光強(qiáng)和參考光強(qiáng)。定義自變量

定義有創(chuàng)血糖濃度值Y為因變量。

由比耳-朗伯定律可知，Y與 X呈線性關(guān)系，線性回歸方程為Y=α+βX。將標(biāo)準(zhǔn)方法測得的血糖濃度數(shù)據(jù)與近紅外光強(qiáng)值用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計(jì)量方法建立定標(biāo)模型，對于未知濃度的樣品測量其近紅外光強(qiáng)數(shù)據(jù)，利用建立的定標(biāo)模型對其血糖濃度進(jìn)行預(yù)測分析[6]。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)建

所構(gòu)建的血糖無創(chuàng)檢測光學(xué)子系統(tǒng)由LED耦合前端、檢測探頭、探測采集3部分組成，其原理如圖1所示。LED耦合前端利用光纖準(zhǔn)直器，將兩個LED發(fā)射的近紅外光束分別聚焦耦合到光纖之中。兩個波長的近紅外光進(jìn)入光纖后，經(jīng)光纖耦合器合為一路光束，通過檢測探頭的準(zhǔn)直器射入被檢組織。檢測探頭的另一準(zhǔn)直器接收透射后的近紅外光，由探測器測量光強(qiáng)，并通過采集、調(diào)理電路，將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)分析處理。

圖1 血糖無創(chuàng)檢測系統(tǒng)原理Fig.1 Elementary diagram of the non-invasive blood glucose detection system

近紅外分析對光源要求較為嚴(yán)格，不僅要求光強(qiáng)度大，而且均勻性和穩(wěn)定性都要保證[5-8]。筆者在設(shè)計(jì)近紅外無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)時，考慮到LED發(fā)光二極管具有尺寸小且價格便宜、發(fā)光功率較高等特點(diǎn)，因此選用了由美國 EPIGAP Optoelektronik GmbH公司生產(chǎn)的1300 nm LED點(diǎn)光源ELD-1300-525、1550 nm LED點(diǎn)光源 ELD-1550-525作為系統(tǒng)光源。

在利用光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行LED光纖耦合時，由于光纖準(zhǔn)直器耦合效率有限，如何盡可能將更多的LED光耦合到準(zhǔn)直器中，是整個光路實(shí)現(xiàn)的前提。為此，筆者設(shè)計(jì)了由菲尼爾透鏡組成的光路聚焦系統(tǒng)，根據(jù)準(zhǔn)直器的焦距來確定光路中透鏡的安放距離，利用透鏡來盡可能地聚焦發(fā)散LED光束，從而提高了近紅外的光功率，如圖2所示。菲尼爾透鏡是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有由玻璃制作的。鏡片表面的一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓;它的紋理設(shè)計(jì)利用了光的干涉及擾射原理，考慮了相對靈敏度和接收角度的要求。菲尼爾透鏡在很多時候相當(dāng)于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。光纖從一側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過菲尼爾透鏡從另一側(cè)出來聚焦成一點(diǎn)，或以平行光射出[7]。

圖2 由菲尼爾透鏡組成的光路聚焦系統(tǒng)Fig.2 Optical route system based on modafinil lens

系統(tǒng)采用了 OSI Optoelectronics公司生產(chǎn)的InGaAs探測器 FCI-InGaAs-300 L-FC，具有快速響應(yīng)、高靈敏度、低噪聲、探測范圍900～1700 nm等特點(diǎn)。

光纖耦合器使用了深圳市光視通科技有限公司生產(chǎn)的單模雙窗一分二分路器FC。光纖準(zhǔn)直器根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測的實(shí)際需要，分別使用飛秒光電科技(西安)有限公司生產(chǎn)的 1310單模、1550單模、1310＆1550單模雙波長和1310＆1550多模雙波長準(zhǔn)直器。

1.3 信號獲取

采用手指透射測量方法，即檢測器和光源分別位于手指兩側(cè)，探測器接收組織的透射光，光在組織中傳輸?shù)墓獬梯^長，攜帶的濃度信息較多。同時，人體手指指端的解剖結(jié)構(gòu)相對簡單，淺表毛細(xì)血管網(wǎng)豐富，手指外露測量起來方便[8]。利用不同波長(無光對照組、940 nm組、1300 nm組和1550 nm組)的LED，分別進(jìn)行光路系統(tǒng)的檢測實(shí)驗(yàn)(其中，940 nm組實(shí)際檢測的是手指脈搏波，因?yàn)槊}搏波的波形特征非常明顯，引入該組對比檢測可以直觀反映系統(tǒng)光路是否調(diào)通)，數(shù)據(jù)采樣頻率為1000 Hz。分別記錄空白信號、1300 nm信號、1550 nm信號各30、50、75 s。首先通過50 Hz陷波和100 Hz低通濾波處理，再以1 s為間隔將上述信號分別分段，得到空白信號30段、1300 nm信號50段、1550 nm信號75段;然后將每段信號取均值，得到空白信號30個值、1300 nm信號50個值、1550 nm信號75個值。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用秩和檢驗(yàn)法[9]分析有光組(1300 nm組或1500 nm組)與空白無光組的總體分布，看其是否存在顯著差異。m和n分別為有光組和無光組的樣本量。

設(shè)X、Y分別表示有光組和空白無光組的近紅外透射強(qiáng)度值，F(xiàn)X(x)、FY(x)為它們對應(yīng)的分布函數(shù)，則統(tǒng)計(jì)假設(shè)為

由于n=30＜m，所以選擇Y的樣本秩和T作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。在α=0.05時，拒絕域?yàn)?/p>

經(jīng)計(jì)算，樣本秩和T的值為795，從而

如果落在拒絕域內(nèi)，故拒絕原假設(shè)，接受備擇假設(shè)，即認(rèn)為兩個總體分布存在明顯差異。

根據(jù)總體分布函數(shù)的假設(shè)檢驗(yàn)，計(jì)算 χ2樣本值，判斷分布是否落在拒絕域，以檢驗(yàn)分布是否屬于正態(tài)分布?？傮w分布函數(shù)的假設(shè)檢驗(yàn)采用擬合優(yōu)度χ2檢驗(yàn)法，其基本思想是設(shè)法確定一個能刻畫觀測數(shù)據(jù) X1，X2，…，Xn與理論分布 F0(x)之間擬合程度的量，即“擬合優(yōu)度”，當(dāng)這個量超過某個界限時，說明擬合程度不高，應(yīng)拒絕H0，否則接受H0[9]。

3 結(jié)果

記錄的信號如圖3所示。(a)是空白對照組，可見在近紅外檢測中存在大量的噪聲信號，近紅外信號被嚴(yán)重地淹沒在背景信號之中。這是由于水對近紅外光的吸收十分嚴(yán)重，血液中90%以上的成分是水，而葡萄糖、膽固醇、甘油三酯等成分的含量都很低。同時，人體組織(如皮膚、肌肉、血管)都是很強(qiáng)的近紅外吸收體，可以用于分析的信息被淹沒在這些很強(qiáng)的背景中[10]。圖3(b)獲得的是手指脈搏波的波形，可以直觀地反映系統(tǒng)光路的通暢，同時可以觀察到噪聲對信號的影響。圖3(c)和圖3(d)根據(jù)檢測原理的不同，分別攜帶了不同的血糖信息，明顯地看出其與空白組的波形差異。

圖3 不同波長下的檢測結(jié)果。(a)空白組;(b)940 nm;(c)1300 nm;(d)1500 nmFig.3 Detection results under different wavelengths.(a)No LED;(b)940 nm;(c)1300 nm;(d)1500 nm

秩和檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。1300 nm組和1550 nm組的μ*值均在拒絕域之中，說明其數(shù)據(jù)與空白信號存在顯著的差異。結(jié)合實(shí)驗(yàn)理論“比爾-朗伯”定律，可以判斷信號中包含的是血糖濃度信息。

表1 秩和檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The results of rank sum test

表2 1300 nm組光強(qiáng)χ2樣本值計(jì)算Tab.2 Sample calculation of 1300 nm light intensity χ2

表3 1550 nm組光強(qiáng)信號χ2樣本值計(jì)算Tab.3 Sample calculation of 1550 nm light intensity χ2

1300 nm和1500 nm兩組樣本符合正態(tài)分布的拒絕域均為

屬于1300 nm 樣本的 χ2=0.7634＜4.61，同時屬于1500 nm樣本的χ2=3.2348＜4.61，均落在接受域內(nèi)，可以認(rèn)為1300 nm和1500 nm兩組樣本的強(qiáng)度值均符合正態(tài)分布(α =0.10)，即～N(4.601，1.1392)，～ N(4.446，1.0782)。

4 結(jié)論

通過驗(yàn)證1300和1550 nm兩個波長透射光強(qiáng)與空白組的統(tǒng)計(jì)差異性，證實(shí)了比爾-朗伯定律下指尖組織對不同近紅外光的吸收情況，同時也說明1300和1550 nm兩個波長的透射光攜帶了各自相應(yīng)的血糖信息。通過處理分析這些光強(qiáng)信號，利用其中的有效血糖信息，使得近紅外的無創(chuàng)血糖檢測成為可能。

根據(jù)血液葡萄糖對近紅外的吸收特性，適當(dāng)?shù)剡x取利用特定波長的LED光源，從而實(shí)現(xiàn)了近紅外血糖的無創(chuàng)檢測，具有成本低、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，結(jié)合比爾-朗伯定律，通過1300和1550 nm兩個特定波長的LED光源，運(yùn)用近紅外透射法，能夠有效采集到近紅外血糖信號，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和模型建立奠定了基礎(chǔ)。

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