近紅外光譜應(yīng)用于血糖檢測(cè)

　　糖尿病是一種內(nèi)分泌疾病。據(jù)報(bào)導(dǎo)，1997年全世界的糖尿病患者超過(guò)1.2億，到2010年將會(huì)增長(zhǎng)到2.2億以上。現(xiàn)有對(duì)糖尿病較有效的治療手段是通過(guò)頻繁的檢測(cè)和胰島素注射來(lái)對(duì)血糖濃度進(jìn)行控制，從而減少或減輕由糖尿病導(dǎo)致的并發(fā)癥。目前檢測(cè)血糖的方法主要是從體內(nèi)抽取血液通過(guò)生化檢測(cè)進(jìn)行分析，這屬于有創(chuàng)傷檢測(cè)，有創(chuàng)傷檢測(cè)給患者帶來(lái)的痛苦和不便。無(wú)創(chuàng)性血糖檢測(cè)已引起人們極大的關(guān)注，其意義是：(1)減少患者天天采血丈量的痛苦，進(jìn)步病人的生存質(zhì)量；(2)可進(jìn)步丈量次數(shù)，進(jìn)步血糖控制精確度，降低糖尿病并發(fā)癥發(fā)生的危險(xiǎn)；(3)降低每次丈量的本錢；(4)有可能形成含有檢測(cè)器和胰島素注射的閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)；(5)其丈量方法和原理可以推廣應(yīng)用到其它血液成分的檢測(cè)。在無(wú)創(chuàng)性血糖檢測(cè)研究中使用較多的是紅外光譜分析方法，通過(guò)對(duì)一束紅外光透過(guò)人體組織或者由其反射的光譜信號(hào)分析，確定組織內(nèi)葡萄糖的含量。目前較有效的光譜范圍是近紅外區(qū)(波長(zhǎng)為0.7um-2.5um)。
　　
　　2紅外光譜檢測(cè)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(jī)分子在近紅外光譜區(qū)的吸收主要是由于含氫基團(tuán)的分子振動(dòng)的倍頻與合頻吸收造成的[1]。有機(jī)分子的倍頻和合頻光譜能夠得到分子結(jié)構(gòu)、組成狀態(tài)的信息。有機(jī)物近紅外光譜，其特征性強(qiáng)，受分子內(nèi)外環(huán)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(tuán)的譜帶以及同一基團(tuán)不同形式的倍頻、合頻譜帶發(fā)生嚴(yán)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(xué)組分，很難再分離出每種組分單一、無(wú)重疊的吸收光譜。在有強(qiáng)烈水的背景吸收情況下的生物混合液，常規(guī)方法很難丈量出低濃度物質(zhì)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(kuò)展到近紅外區(qū)域的合頻和倍頻光譜。對(duì)水的紅外光譜分析可知，水在波長(zhǎng)為2.01um-2.5um的吸收較小，形成一個(gè)被稱為水傳輸窗的區(qū)域，所以水溶液物質(zhì)更好的分析波長(zhǎng)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(zhì)。
　　
　　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(bào)導(dǎo)。葡萄糖伸縮振動(dòng)能產(chǎn)生很強(qiáng)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(qū)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(gè)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(jī)混合物對(duì)在近紅外區(qū)吸收譜帶的重迭以及漫反射光譜并不是各成分單獨(dú)存在時(shí)光譜的迭加。組織吸收對(duì)葡萄糖丈量也有影響，在手指這樣小的部位中近紅外光會(huì)削弱3-4個(gè)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(gè)吸收單位。組織光散射對(duì)葡萄糖丈量的影響也很大，組織散射的光強(qiáng)、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(xué)在血糖檢測(cè)中的應(yīng)用。
　　
　　2.3光譜分析方法
　　
　　在紅外光譜分析時(shí)化學(xué)計(jì)量學(xué)方法是很有效的。化學(xué)計(jì)量學(xué)(Chemometrics)采用多元分析校正統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與計(jì)算技術(shù)，解析化學(xué)丈量數(shù)據(jù)，由紅外光譜算出樣品各成分的含量?，F(xiàn)在常用的多元分析校正方法中，進(jìn)行血糖檢測(cè)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(jì)算的方法，對(duì)光譜矩陣進(jìn)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(guān)系，消除與葡萄糖無(wú)關(guān)的光譜變數(shù)，得出校正光譜，通過(guò)校正光譜和樣品光譜的內(nèi)積(即點(diǎn)積)確定葡萄糖濃度。
　　
　　3離體檢測(cè)和在體檢測(cè)的研究現(xiàn)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(gè)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(zhǎng)帶寬范圍內(nèi)的光譜，使用PLS校正光譜猜測(cè)溶液成分的濃度。結(jié)果表明，在0-35mm內(nèi)葡萄糖溶液的丈量猜測(cè)標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果比較滿足。目前在成分從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的水溶液中是可以猜測(cè)葡萄糖濃度的，但這些溶液相對(duì)血液或血漿還很簡(jiǎn)單，研究的成分更多是5種，所以還需進(jìn)一步研究更多成分的水溶液來(lái)模擬血漿或血液系統(tǒng)。
　　
　　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(gè)不同的全血樣本，并將葡萄糖加進(jìn)其中。對(duì)每個(gè)個(gè)體，預(yù)備葡萄糖濃度從(3-743)mg/dl變化的20個(gè)血液樣本，然后在(1.5-2.3)um范圍內(nèi)收集每個(gè)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(chuàng)建PLS定標(biāo)模型。對(duì)所得光譜進(jìn)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(qū)域，所得交叉校驗(yàn)的SEP值為30.5mg/dL。這個(gè)誤差很大，但它可以通過(guò)增加定標(biāo)樣本的數(shù)目和控制掃描過(guò)程中樣本的溫度而有所減少。
　　
　　Amord等人把數(shù)字濾波技術(shù)用于牛血漿葡萄糖濃度的測(cè)定。將牛血離心以得到血漿，加進(jìn)不等量的葡萄糖共配制69個(gè)樣本，并在2.01um-2.5um范圍內(nèi)收集這些樣本的光譜。通過(guò)對(duì)這些光譜的觀察，發(fā)現(xiàn)有些區(qū)域含有很高的噪聲，他們引人傅立葉濾波以減少噪聲和基線偏移。經(jīng)過(guò)PLS定標(biāo)和猜測(cè)得出SEP值。結(jié)果表明，近紅外光譜可用于測(cè)定血漿基質(zhì)中的葡萄糖濃度，正確度和精度在答應(yīng)的誤差范圍內(nèi)。
　　
　　我們用磷酸氫二鈉和磷酸二氫鈉配制不同濃度葡萄糖緩沖水溶液，葡萄糖濃度是18mg/dL-1800mg／dL。共配制20個(gè)溶液樣本。另外還配制加有牛血清白蛋白(BSA)成分的葡萄糖溶液，配制時(shí)在900mg／dL的葡萄糖緩沖溶液中加進(jìn)了70mg的BSA，制成樣本，并在臨床采集已知葡萄糖濃度的血樣，使用MAGVA-AR560型近紅外傅立葉變換光譜儀，在1.61xm-2.51xm段的近紅外光譜范圍進(jìn)行研究。使用PLS分析也取得了較好的結(jié)果。
　　
　　3.3在體近紅外光譜血糖丈量
　　
　　在體近紅外光譜血糖丈量的關(guān)鍵是建立在體環(huán)境下的校正光譜，由于有很多誤差來(lái)源影響丈量，需要通過(guò)定標(biāo)來(lái)消除或予以補(bǔ)償。有些影響丈量的誤差卻不輕易合并到定標(biāo)中，這樣的誤差來(lái)源主要有探測(cè)器定位誤差、溫度和脈搏的影響、檢測(cè)設(shè)備的機(jī)械壓力、水合作用、出汗、血容量以及血流比容積的變化等?，F(xiàn)在主要有兩種研究方法，一種是實(shí)驗(yàn)方法，在進(jìn)行口服耐糖檢測(cè)(OGTT)時(shí)從非糖尿病人群和糖尿病患者中無(wú)創(chuàng)地收集光譜信號(hào)，同時(shí)用有創(chuàng)傷的方法丈量血糖濃度，最后在所得血糖值和無(wú)創(chuàng)性收集的光信號(hào)的關(guān)系基礎(chǔ)上建立模型。這種方法不能丈量出其它的代謝物、干擾物、生物噪聲或者儀器與身體接觸面的變化等信息，但它可計(jì)算出這些噪聲所帶來(lái)的影響。另一種方法是物理模型方法，在這種方法中，首先在一組標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液中丈量葡萄糖的信號(hào)。然后逐漸增加標(biāo)準(zhǔn)液的復(fù)雜性來(lái)模擬人體組織，并描述每一步的精度和正確度，再用數(shù)學(xué)模型把數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，用于組織中的光線傳播，最后把研究的丈量方法和系統(tǒng)應(yīng)用到人體中。所得的體內(nèi)信號(hào)又與通過(guò)化學(xué)丈量技術(shù)的有創(chuàng)傷數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)。這種方法可以鑒別噪聲成分，因此利用這種方法在使用化學(xué)丈量技術(shù)之前消除噪聲對(duì)信號(hào)的影響。
　　
　　手背皮膚的近紅外漫反射光譜特性，可知類似水溶液。人體組織在近紅外區(qū)域也有一個(gè)傳輸窗，所以在2.0um-2.5um處有可能丈量葡萄糖的濃度。一個(gè)含有脂肪和葡萄糖等的理論模型已經(jīng)在2.0?m-2.5?m范圍內(nèi)用于模擬組織葡萄糖的光吸收。在這些研究中所用的葡萄糖濃度通常要比生理濃度的范圍高。但由于目前的幾種技術(shù)還不能很好地確定所測(cè)的信號(hào)，對(duì)一個(gè)血糖濃度正在變化的個(gè)體來(lái)說(shuō)，用口服耐糖試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以建立一個(gè)關(guān)于血糖濃度的無(wú)創(chuàng)性丈量響應(yīng)。在檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)還可在后來(lái)的無(wú)創(chuàng)性丈量中猜測(cè)血糖濃度。由于無(wú)創(chuàng)性丈量響應(yīng)可能會(huì)帶有非糖方面的生理影響，所以由口服耐糖試驗(yàn)和無(wú)創(chuàng)性丈量回應(yīng)關(guān)系所決定的臨床定標(biāo)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)定標(biāo)曲線，這個(gè)曲線對(duì)被測(cè)個(gè)體來(lái)說(shuō)是唯一的。但這種定標(biāo)曲線可能需要通過(guò)有創(chuàng)傷的檢測(cè)進(jìn)行周期性的更新。用于定標(biāo)的口服耐糖試驗(yàn)和飲食耐量試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間上連續(xù)的一系列丈量值，但假如不能進(jìn)行隨機(jī)采樣，這些由時(shí)間決定的數(shù)據(jù)就會(huì)影響多變量定標(biāo)的結(jié)果。這樣，光譜信號(hào)和噪聲的臨時(shí)分布可能會(huì)導(dǎo)致與血糖的不正確關(guān)聯(lián)。在體經(jīng)皮研究結(jié)果顯示，到目前為止還不能鑒別直接測(cè)得的葡萄糖濃度和數(shù)據(jù)組內(nèi)存在的偶然關(guān)系。所以現(xiàn)在的研究水平用于家庭血糖監(jiān)測(cè)儀還是不可接受的。
　　
　　4檢測(cè)存在的題目
　　
　　近紅外在體檢測(cè)葡萄糖濃度的缺點(diǎn)：(1)丈量精度較低；(2)需要反復(fù)定標(biāo)；(3)受到服用藥物的影響，其它干擾因素較多；(4)水的近紅外波段的吸收強(qiáng)度對(duì)溶解物的濃度和溫度很敏感；(5)尚未得到美國(guó)FDA的批準(zhǔn)；(6)使用的儀器設(shè)備較昂貴且很難小型化。
　　
　　5結(jié)論
　　
　　在近紅外光譜范圍內(nèi)具有檢測(cè)葡萄糖的分析信息，更佳的光譜范圍在2.0um-2.5um。葡萄糖的光譜是獨(dú)立的，但和人體其它物質(zhì)的光譜具有重迭，近紅外光穿透皮下很少，葡萄糖的吸光率很小，所以近紅外光譜丈量葡萄糖是困難的。在體血糖值和所測(cè)的光學(xué)信號(hào)上確實(shí)存在著相關(guān)性，但還沒(méi)有無(wú)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)可以提供證據(jù)證實(shí)所測(cè)的信號(hào)可被關(guān)聯(lián)到實(shí)際的血糖濃度上。需要研究和發(fā)展更靈敏、分布更穩(wěn)定的測(cè)試設(shè)備。國(guó)內(nèi)用于構(gòu)造模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)很少?；谝陨锨闆r，我們分析了無(wú)創(chuàng)傷血糖檢測(cè)研究的各種方法，結(jié)合技術(shù)和設(shè)備的實(shí)際情況，利用近紅外透反射方法做了一定的基礎(chǔ)性研究，并取得較好的結(jié)果。