紅外 血糖

1、[1]紅外無(wú)創(chuàng)血糖濃度監(jiān)測(cè)的研究糖尿病是一種常見(jiàn)的非傳染性卻嚴(yán)重危害人類(lèi)健康的慢性疾病，延緩糖尿病及其并發(fā)癥的重要手段是對(duì)患者的血糖濃度進(jìn)行頻繁的測(cè)定。據(jù)此本文設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以C8051F005單片機(jī)為核心的無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)系統(tǒng)，在走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)的保健醫(yī)療方面有著廣闊應(yīng)用前景。本文依托比爾定律以近紅外光的漫反射原理為基礎(chǔ)，提出系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、電信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動(dòng)控制及化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件四大部分組成。進(jìn)行血糖檢測(cè)

2、前，先利用有創(chuàng)檢測(cè)血糖濃度值與近紅外漫反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模；檢測(cè)時(shí)，利用所建模型，通過(guò)測(cè)得的光譜數(shù)據(jù)得到預(yù)測(cè)血糖濃度值。系統(tǒng)光路部分采用全光纖結(jié)構(gòu)，由光源、光纖傳導(dǎo)、光纖探頭和光電檢測(cè)器組成，對(duì)入射光加以耦合，在接收漫反射光時(shí)加一個(gè)全反鏡系統(tǒng)并對(duì)漫反射光加以準(zhǔn)直來(lái)提高精度。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)的電路主要包括MCU模塊，電流的采集及放大電路，A／D轉(zhuǎn)換模塊，串口通信模塊，鍵盤(pán)和液晶顯示模塊。然后介紹系統(tǒng)軟件的總

3、體設(shè)計(jì)，主程序框架和主要子程序模塊，并將低功耗設(shè)計(jì)的思想融入其中，最終通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、光譜分析可實(shí)現(xiàn)血糖濃度的建模與測(cè)試。本設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了分析，考慮了相關(guān)的噪聲因素。因?yàn)檠菨舛葻o(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)的重要性，無(wú)創(chuàng)血糖濃度監(jiān)測(cè)已成為科技發(fā)達(dá)國(guó)家的研究重點(diǎn)。多家公司及科研機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行了持續(xù)和深入的探討，并不斷取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。StephenF.Malin等人進(jìn)行了人體無(wú)創(chuàng)血糖濃度測(cè)試[7]，選用的漫反射光譜區(qū)域?yàn)?050nm～2450nm他

4、們建立血糖濃度的預(yù)測(cè)模型有兩種方法:第一是用3個(gè)健康人采用口服耐糖監(jiān)測(cè)，在幾天之內(nèi)，每隔3.5個(gè)小時(shí)收集他們的近紅外光譜，來(lái)觀(guān)察他們血糖濃度的變化；第二是采集7個(gè)糖尿病人在35天中任意選取的多個(gè)血糖濃度的近紅外光譜圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是:利用健康人口服耐糖實(shí)驗(yàn)中血糖的近紅外光譜做出的校正模型的標(biāo)準(zhǔn)偏差是1.1mmolL，用糖尿病人血糖的近紅外光譜得出的校正模型其標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.41mmolL。這說(shuō)明使用近紅外光進(jìn)行無(wú)創(chuàng)漫反射實(shí)驗(yàn)所建立校正模型選用

5、的波長(zhǎng)范圍為1050nm～2450nm之間是可行的，但模型的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性還待考察。Heise等人提出使用去水樣品和短光程的方法，以排除由于水的吸收率較大而形成的干擾，在無(wú)創(chuàng)測(cè)量人體血糖濃度方面，采用人體口腔內(nèi)靜脈血作為樣品收集，運(yùn)用漫反射技術(shù)來(lái)建立血糖濃度的校正模型。光譜的采集區(qū)為兩個(gè)水的吸收峰較高處之間的區(qū)域，這樣建立的校正模型誤差大約在2.5mmolL左右。我國(guó)無(wú)創(chuàng)傷血糖測(cè)量的研究起步較晚，清華大學(xué)的丁海曙、中國(guó)醫(yī)科大學(xué)憲政進(jìn)

6、行了近紅外無(wú)創(chuàng)血糖濃度檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)研究，西安交通大學(xué)王煒在甘肅自然科學(xué)基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，進(jìn)行了紅外多波長(zhǎng)器陣列，進(jìn)行全血中血糖濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。北京大學(xué)吳瑾光小組在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目下，使用了中紅外ATR測(cè)量方法進(jìn)行人體血糖濃度檢測(cè)的方法研究。西安交通大學(xué)王煒在甘肅自然科學(xué)基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，進(jìn)行了紅外多波長(zhǎng)器陣列的設(shè)計(jì)，也進(jìn)行了全血中血糖濃度檢測(cè)實(shí)量方式.其有效光程長(zhǎng)與徑向檢測(cè)距離有關(guān)，且不受整個(gè)組織厚度

7、差異的影響.筆者選用的測(cè)量部位為相對(duì)比較平整的于掌，并利用于掌的紋路進(jìn)行精確定位。[3]張洪艷，張來(lái)明等.近紅外漫反射光譜在人體血糖無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.激光與紅外.2005(2)采用近紅外漫反射光譜技術(shù)對(duì)人體血糖進(jìn)行了無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)使用Nexus870傅立葉紅外光譜儀及其光纖附件采集了6名不同年齡健康志愿受試者手腕處的近紅外漫反射光譜。對(duì)光譜進(jìn)行了平滑、基線(xiàn)校正和二次求導(dǎo)預(yù)處理采用偏最小二乘(PLS)方法在含有葡萄糖吸收峰的7500~85

8、00cm1波段建立同一個(gè)體、相同年齡段的不同個(gè)體、以及不同年齡段的不同個(gè)體的校正模型。采集漫反射光譜的同時(shí)抽適量的血樣在752型紫外光柵分光光度計(jì)上標(biāo)定血糖的實(shí)際值并對(duì)校正模型計(jì)算值和實(shí)際標(biāo)定值進(jìn)行了比較結(jié)果表明個(gè)體建模的相關(guān)性很好相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99980均方差在≤0.346誤差分布在0.8mmoll之間。對(duì)部分不參與建模的樣品進(jìn)行了預(yù)測(cè)結(jié)果表明個(gè)體建模的自我預(yù)測(cè)結(jié)果好于該模型對(duì)其它個(gè)體樣品的預(yù)測(cè)結(jié)果預(yù)測(cè)誤差≤0.89544mmoll

9、。近紅外漫反射光譜被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)。近紅外光譜作為一種快速的分析方法可以對(duì)各種樣品提供快速、精確的定性、定量分析而不損傷樣品。人體的骨骼、肌肉、脂肪、皮膚、及體液等在近紅外光譜區(qū)吸收系數(shù)小NIR譜區(qū)范圍內(nèi)的光容易穿透人的體表從而得到深層豐富的較強(qiáng)吸收信號(hào)。葡萄糖是血糖的主要成分葡萄糖分子中含有的OH、CH、C=O在NIR區(qū)域有強(qiáng)吸收并且葡萄糖在人體組織和血液中分布廣泛。當(dāng)近紅外光進(jìn)入人體組織時(shí)被吸收和散射出射光為包含人體組

10、織多種成分信息的漫反射光譜。所以測(cè)量血液中近紅外漫反射光譜可以測(cè)定人體的血糖濃度。近紅外光譜分析常用的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法為多元校正方法主要包括:多元線(xiàn)性回歸(MLR)、主成分分析(PCA)、主成分回歸(PCR)、偏最小二乘法(PLS)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)方法等。MLR、PCR和PLS方法主要用于樣品的質(zhì)量參數(shù)與變量間呈線(xiàn)性關(guān)系的關(guān)聯(lián)。而ANN等方法常用于非線(xiàn)性關(guān)系的關(guān)聯(lián)。PLS是目前近紅外光譜中使用最多和效果最好的一種分析方法。它是將因

11、子分析和回歸分析結(jié)合的方法。PLS通過(guò)因子分析將光譜壓縮為較低維空間數(shù)據(jù)其方法是將數(shù)據(jù)向協(xié)方差最大的方向投影。將原近紅外光譜分解為多種主成分光譜通過(guò)對(duì)主成分的合理選取僅讓有用的主成分參與質(zhì)量參數(shù)的回歸。該方法對(duì)參加關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)可隨意選取可以是全譜也可以是其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)。PLS在降維的同時(shí)考慮了性質(zhì)陣的作用因而應(yīng)用其得到的校正模型更穩(wěn)健。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用近紅外漫反射光譜采用合適的預(yù)處理方法在7500~8500cm1區(qū)域內(nèi)無(wú)創(chuàng)定量檢測(cè)了人體血

12、糖。在此波段內(nèi)應(yīng)用PLS算法個(gè)體建模的結(jié)果好于多個(gè)個(gè)體建模的結(jié)果個(gè)體校正模型的相關(guān)性都在0.93858以上誤差分布在0.8mmoll之間小于文獻(xiàn)中提到的2.5mmoll。采用個(gè)體建立的校正模型對(duì)屬于該個(gè)體樣品的自我預(yù)測(cè)的結(jié)果要好于其對(duì)不屬于該個(gè)體樣品預(yù)測(cè)的結(jié)果。個(gè)體樣品自我預(yù)測(cè)差值≤0.89544mmoll這一結(jié)果也小于文獻(xiàn)中提到的1.1mmoll[9]。本實(shí)驗(yàn)的所有過(guò)程都是在室溫25℃的條件下進(jìn)行的避免了溫度的變化對(duì)建模結(jié)果的影響。我