血糖檢測(cè)中信息處理的理論與方法

劉立勛+楊凌峰+柯燕敏

摘要

糖尿病是危害人類健康的三大慢性非傳染性疾病之一，可以引起心腦血管疾病、賢功能不全、眼底病變甚至可能導(dǎo)致失明、血栓栓塞導(dǎo)致肢體壞死等并發(fā)癥。積極領(lǐng)防和治療糖尿病已成每個(gè)人刻不容緩的事。血糖濃度值是篩查和診斷早期糖尿病的重要指標(biāo)和敏感指標(biāo)，同時(shí)，掌握血糖濃度的變化也是了解糖尿病病情和評(píng)價(jià)治療效果的重要途徑。本文對(duì)現(xiàn)有的血糖檢測(cè)方式進(jìn)行了概述，重點(diǎn)介紹了最具有發(fā)展前景的無創(chuàng)血糖檢測(cè)方式以及其在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)其中的多種前沿技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

【關(guān)鍵詞】糖尿病 血糖檢測(cè)技術(shù) 無創(chuàng)

糖尿病是一種古老的疾病，公元前1500年的古埃及就有關(guān)于糖尿病的記載，那時(shí)患上糖尿病的人幾乎沒有活下來的希望。直到1921年，班廷（Banting）和貝斯特（Best）發(fā)現(xiàn)胰島素后，將其注射到一名即將死亡的糖尿病男孩湯普森（Thompson），24小時(shí)之內(nèi)，湯普森的血糖降至正常水平。胰島素被發(fā)現(xiàn)后，人們對(duì)糖尿病的研究不斷突破，糖尿病患者因此能夠像正常人一樣生活。從20世紀(jì)90年代開始，糖尿病治療藥物出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，各種胰島素類似物、各種新型口服和注射型降血糖藥不斷涌現(xiàn)。糖尿病的治療也隨之成為以不斷檢測(cè)血糖濃度為主。各種血糖檢測(cè)儀如雨后春筍，奔涌而出。1968年，湯姆·克萊曼斯（Tom Clemens）發(fā)明了第一臺(tái)血糖儀，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，血糖儀己進(jìn)化至第五代，血糖檢測(cè)技術(shù)從開始的光反射技術(shù)到現(xiàn)在的電化學(xué)法技術(shù)，檢測(cè)方式也從有創(chuàng)檢測(cè)、微創(chuàng)檢測(cè)逐步向無創(chuàng)檢測(cè)發(fā)展。

1有創(chuàng)檢測(cè)

有創(chuàng)檢測(cè)是直接從人體中抽取血液標(biāo)本進(jìn)行檢測(cè)，是血糖檢測(cè)的傳統(tǒng)方法。早期的有創(chuàng)檢測(cè)使用化學(xué)比色法檢測(cè)血糖濃度，這種方法帶來了技術(shù)革新，1987年，Lifecan（強(qiáng)生）公司上市了第一臺(tái)不需擦血的血糖儀One Touch，這種產(chǎn)品由于操作方便及結(jié)果準(zhǔn)確很快被市場(chǎng)接受，后因用血量大、測(cè)量速度慢而逐漸被淘汰?，F(xiàn)代多采用葡萄糖氧化酶（GOD）法和己糖激酶（HK）法。GOD法測(cè)定葡萄糖有較高的特異性、靈敏度和準(zhǔn)確性，試劑較穩(wěn)定、價(jià)格適中、操作較方便，是當(dāng)前全國臨床檢驗(yàn)中心推薦的常規(guī)方法。HK法測(cè)定結(jié)果非常穩(wěn)定，是葡萄糖測(cè)定的參考方法。并且劉陽等人研究發(fā)現(xiàn)，HK法比GOD法結(jié)果穩(wěn)定、特異性好、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)避免血清中過氧化物、色素和濁度的影響較為有效。但HK法試劑穩(wěn)定性較差、價(jià)格昂貴，因而限制了其在臨床上的普及，衛(wèi)生部推薦它可用于急診檢驗(yàn)。

目前，有創(chuàng)檢測(cè)是一種較為成熟的檢測(cè)方法，但這種檢測(cè)方式每測(cè)一個(gè)血糖值就需進(jìn)行一次血樣采集。它存在感染的危險(xiǎn)；患者本來就是身體欠佳的高危人群，頻繁取血會(huì)影響受試者的身體健康；由于抽血帶來的痛苦，也會(huì)給患者帶來情緒上的波動(dòng)，從而使此種檢測(cè)方式受到一定局限。

2微創(chuàng)檢測(cè)

相對(duì)于有創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)，微創(chuàng)檢測(cè)具有微感、微創(chuàng)等優(yōu)勢(shì)，因此成為血糖檢測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。微創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)主要包括透過皮膚植入型檢測(cè)技術(shù)、組織液透皮抽取型檢測(cè)技術(shù)。透過皮膚植入型檢測(cè)技術(shù)原理同體外檢測(cè)基本一致，特點(diǎn)是將微型葡萄糖傳感器植入體內(nèi)，通過檢測(cè)組織液中的葡萄糖濃度計(jì)算出血糖濃度。該檢測(cè)方式最大的瓶頸是傳感器的植入機(jī)體組織后會(huì)受到多種機(jī)制影響而失效，使用壽命一般只有3?5天，這也極大的限制了該方法的發(fā)展。組織液透皮抽取型檢測(cè)技術(shù)包括激光打孔法、微型針陣列法、反向離子電滲法、低頻超聲法、以及微透析法、暢流微灌注法等。它的主要特點(diǎn)是通過物理化學(xué)的方法破壞皮膚角質(zhì)層結(jié)構(gòu)，增大皮膚的通透性，繼而透皮抽取并檢測(cè)組織液中的葡萄糖濃度，實(shí)現(xiàn)血糖檢測(cè)。

微創(chuàng)血糖檢測(cè)儀，包括針刺式血糖檢測(cè)儀和激光采血式血糖儀，其產(chǎn)品主要是Amira公司的At Last血糖儀、TheraSense公司的FreeStyle血糖儀和Cell Robotics公司的Lasette。AtLast是第一個(gè)減痛式血糖監(jiān)測(cè)儀，需血量?jī)H2μL，選取痛覺神經(jīng)末梢稀疏處取血，減少采血的疼痛。該儀器有較好的準(zhǔn)確度和精密度，痛苦較小。但檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。而由TheraSense公司專利采用庫侖電量法所開發(fā)生產(chǎn)的Free Style（利舒坦）血糖儀使血糖儀技術(shù)質(zhì)量更進(jìn)一步。Free Style血糖儀是將一個(gè)小型傳感器粘附在手臂上，然后通過微針實(shí)現(xiàn)血糖檢測(cè)，使用周期為14天，測(cè)量準(zhǔn)確，采血幾乎無疼痛感覺，采血量極低（0.3μL），但價(jià)格昂貴，且屬于非連續(xù)監(jiān)測(cè)，無法提供預(yù)警也無法提供夜間讀數(shù)，對(duì)依賴CGM（連續(xù)血糖檢測(cè)）的I型患者作用有限。Cell Robotics公司制造的Lasette，使用2.94μm波長(zhǎng)的YAG激光（YAG激光屬于固體激光的一種，它不同于紅寶石和藍(lán)寶石激光，它的發(fā)光晶體是石榴石。）取代傳統(tǒng)的針頭采血，因?yàn)闆]有針頭的接觸，可以減少交互感染的發(fā)生，比較不痛且沒有采血后留存的酸痛感，皮膚上的傷口較小、愈合較快。Lasette于1999年獲得美國FDA核準(zhǔn)上市，在美國需要醫(yī)師處方才能購買，五歲以上的病人都適用。Lasette重約0.5kg，適用充電式鋰電池，每次充電可采血35-50次。為適應(yīng)各種不同的皮膚狀況，它有16種不同激光強(qiáng)度的設(shè)定，但若操作技術(shù)不當(dāng)，則可能因激光強(qiáng)度太弱而采不到血，或因強(qiáng)度太強(qiáng)而至傷口太深，且Lasette價(jià)格相當(dāng)昂貴。

3無創(chuàng)檢測(cè)

雖然血糖檢測(cè)技術(shù)發(fā)展了多年趨向于成熟，但是許多傳統(tǒng)檢測(cè)方式存在的問題依然無法有效解決，如有創(chuàng)、微創(chuàng)檢測(cè)時(shí)的刺痛感，易感染等問題。而無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)為解決上述問題提供了行之有效的方案。因此，對(duì)無創(chuàng)血糖檢測(cè)的研究成為了大勢(shì)所趨。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)血糖檢測(cè)技術(shù)的深入研究，越來越多的無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)被開發(fā)出來?，F(xiàn)有的無創(chuàng)檢測(cè)方法主要分為兩大類，一類是以近紅外光譜法（NIR spectroscopy）為代表的光學(xué)法，其中包括旋光法（Polarimetry）、吸收光譜法（Absorption spectroscopy）、光聲光譜法（Photoacoustic spectroscopy）、光學(xué)相干成像方法（Optical coherence tomography，OCT）、拉曼光譜法（Raman spectroscopy）、熒光光譜法（Fluorescence）以及雙調(diào)制光學(xué)偏振法（Optical polarimetry）等。另一大類則是以能量代謝守恒法為代表的非光學(xué)法，生物阻抗譜法（bioimpedance spectroscopy）、生物電磁共振法（Bio-electromagnetic resonance）、反離子滲透法、微波檢測(cè)法、核磁共振法等方法都屬于非光學(xué)法類。endprint

上述方法中，近紅外光譜法與能量代謝守恒法因其在無創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的代表性本節(jié)將從方法介紹和算法描述兩個(gè)方面重點(diǎn)對(duì)其展開說明，并簡(jiǎn)單進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析。同時(shí)也簡(jiǎn)述了其他幾種檢測(cè)方法。

3.1近紅外光譜法

近紅外光譜法是利用一束或多束波長(zhǎng)不同的近紅外光照射到人體的檢測(cè)部位，通過檢測(cè)透過人體光強(qiáng)度的變化，借助近紅外光譜分析技術(shù)基于透射率和反射率從光譜信息中提取相應(yīng)的血糖濃度來分析測(cè)量組織中的血糖值。具體地，在波長(zhǎng)范圍為750nm至2500nm的近紅外光照射下，血液中含氫基團(tuán)（如C-H，O-H，N-H，S-H等）的有機(jī)物以及與其相結(jié)合的無機(jī)物產(chǎn)生基頻振動(dòng)倍頻和合頻，從而吸收部分光能，不同基團(tuán)產(chǎn)生的光譜的吸收峰的位置和強(qiáng)度有所不同。根據(jù)比爾一朗博（Beer-Lambert）定律可知，樣品的吸光度與樣品成分濃度具有相關(guān)性，同時(shí)光譜特征隨著樣品成份組成或者結(jié)構(gòu)的變化而變化。

樣品吸光度理論計(jì)算公式如下：

上式中，A為吸光度，IO與I分別為入射光強(qiáng)和投射光強(qiáng)，εi（λ）為第i種吸收物在波長(zhǎng)為λ的光的吸光系數(shù)，Li為光在吸收物的光程，Ci則為相應(yīng)吸收物濃度。入射光在人體組織中會(huì)發(fā)生反射、折射、吸收、散射等現(xiàn)象，因此近紅外無創(chuàng)血糖檢測(cè)可以分為透射式測(cè)量和漫反射式測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向。通過對(duì)樣品近紅外光譜特征信息進(jìn)行分析，篩選出滿足血液中其他干擾物質(zhì)吸收強(qiáng)度盡量弱的條件下葡萄糖吸收強(qiáng)度最強(qiáng)的近紅外光波長(zhǎng)區(qū)段或具體值，并將其作為照射光的波長(zhǎng)選擇。而血糖在體測(cè)量中主要研究部位為前臂的皮膚，手指，耳垂，舌頭，腹部組織，唇腔粘膜，眼睛以及眼球結(jié)膜等。確定了照射波長(zhǎng)和測(cè)試部位，之后應(yīng)用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立校正模型，然后對(duì)未知樣品進(jìn)行定性、定量分析。最后還要通過求參考值和用校正模型求出的待測(cè)值之間的誤差來檢驗(yàn)校正模型的準(zhǔn)確性。對(duì)準(zhǔn)確度評(píng)定一般是由預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方差和預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)來決定的。預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方差越小和相關(guān)性越髙，模型測(cè)量越準(zhǔn)確。

3.2能量代謝守恒法

血液中的葡萄糖在人體手指指端被氧化，從而產(chǎn)生能量、二氧化碳和水。通過手指局部的熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流和熱蒸發(fā)等途徑散失的能量占了很大部分。使用合適的裝置和傳感器檢測(cè)上述通過各種散失路徑所散失的能量以及血液中的氧氣水平就能計(jì)算出血液中葡萄糖的估計(jì)濃度，能量代謝守恒法數(shù)學(xué)模型為：

式中BG為血糖濃度，HR為心率，H為代謝產(chǎn)熱量，Bv為血流速度，SPO2為血氧飽和度，β為算法修正因子。

根據(jù)能量代謝守恒原理，代謝產(chǎn)生的熱量與血液中的血糖和含氧量成線性相關(guān)，血液中的含氧量又與血氧飽和度、心率及血流速度密切相關(guān)。熱量的散發(fā)可通過體溫、代謝率等生理參數(shù)反映出來。對(duì)傳感器測(cè)量的生理特征數(shù)據(jù)采用決策樹算法進(jìn)行分類，從而構(gòu)建決策樹模型，對(duì)新樣本的能量代謝參數(shù)進(jìn)行分類。用偏最小二乘法提取隱藏在自變量矩陣中的相關(guān)信息，依照相關(guān)性排列自變量參數(shù)。

能量代謝守恒法是由中南大學(xué)博士生導(dǎo)師陳真誠等人基于“代謝熱整合法”的基礎(chǔ)完善并優(yōu)化了該理論后提出的。2004年，日本OK Kyung Cho等人提出“代謝熱整合法”，他們認(rèn)為血液中的葡萄糖經(jīng)過氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化得到大部分能量將轉(zhuǎn)換為熱量并以輻射、對(duì)流這兩種方式散失，而且當(dāng)人體局部代謝率增強(qiáng)時(shí)，代謝產(chǎn)熱量，血糖濃度和氧容量也跟著增多。因此也可以通過測(cè)量散熱量來估計(jì)人體代謝熱的方法來預(yù)測(cè)人體血糖濃度。2009年中南大學(xué)信息物理工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所成員王弟亞等根據(jù)能量代謝守恒法無創(chuàng)檢測(cè)血糖濃度的原理，設(shè)計(jì)出了一款無創(chuàng)血糖檢測(cè)傳感器集成器，其規(guī)格為60mm×30mm×85.5mm；2015年張楊，朱健銘等人設(shè)計(jì)了新型無創(chuàng)血糖檢測(cè)探頭，并提出了決策樹與偏最小二乘法方相結(jié)合的DE-PLS算法，其目的是提升基于能量代謝守恒方法無創(chuàng)檢測(cè)血糖的精度，最終證明該算法的精度髙于應(yīng)用于該領(lǐng)域的其他算法；2015年馬進(jìn)姿，朱健銘等基于雙波長(zhǎng)紅

外透射衰減原理，測(cè)量血氧飽和度、血流速度和心率，通過溫度傳感器、濕度傳感器、轄射溫度傳感器檢測(cè)散熱量，并加入代謝率等參數(shù)實(shí)現(xiàn)回歸方程優(yōu)化。

能量代謝守恒法優(yōu)點(diǎn)明顯，可實(shí)現(xiàn)輕便無創(chuàng)，這得益于多傳感器集成化。但缺點(diǎn)同樣也十分明顯，比如測(cè)量參數(shù)多、傳感器集成難度高、多參數(shù)耦合十分困難等。

3.3生物阻抗法

當(dāng)穿過人體細(xì)胞膜的離子濃度發(fā)生變化時(shí)，細(xì)胞膜的電學(xué)特性會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，宏觀來說，就是生物阻抗的變化。這個(gè)阻抗會(huì)隨著每個(gè)心動(dòng)周期引起的血容量增減呈現(xiàn)一定規(guī)律變動(dòng)。當(dāng)血液中的血糖升高，會(huì)使得血漿電阻率增加、紅細(xì)胞內(nèi)鈉離子濃度降低而鉀離子濃度升高，進(jìn)而影響了紅細(xì)胞膜的導(dǎo)電性。因而，分析測(cè)量不同頻率下血液的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)血糖濃度的測(cè)量。

3.4旋光法

葡萄糖的旋光效應(yīng)，就是葡萄糖具有穩(wěn)定的偏光特性，通過測(cè)量反射光或者透射光的偏轉(zhuǎn)角即可預(yù)測(cè)人體血糖濃度。其理論依據(jù)如（3）式所示。

式中左邊部分是特征偏轉(zhuǎn)角，α是測(cè)得的偏轉(zhuǎn)角，C為葡萄糖濃度，L為所測(cè)量的光程長(zhǎng)。

4總結(jié)與展望

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及對(duì)血糖檢測(cè)研究的深入，血糖檢測(cè)技術(shù)必將越來越成熟，特別是無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)，這是大勢(shì)所趨，更是社會(huì)所需。

雖然現(xiàn)在的無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)存在許多的問題有待進(jìn)一步的解決，但我相信它將使糖尿病檢測(cè)技術(shù)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，無論是對(duì)糖尿病的治療還是預(yù)防都具有重要的意義。

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