1、Contents 研究意义研究意义 1 无创测量的主要方法无创测量的主要方法 2 无创血糖测量存在的问题无创血糖测量存在的问题 3 无创血糖测量的研究意义 减轻采血痛苦，提高测量次数减轻采血痛苦，提高测量次数 降低成本，减少环境污染降低成本，减少环境污染 推广其它化学成分的无创检测推广其它化学成分的无创检测 无创血糖测量的主要方法 光学相干层析法光学相干层析法 荧光法荧光法 近红外光谱法近红外光谱法 偏光法偏光法 拉曼光谱法拉曼光谱法 光学相干层析法 光学相干层析法的测量生理基础光学相干层析法的测量生理基础 正常人体血糖的浓度值在正常人体血糖的浓度值在33 mmolL到到83 mmolL之间，
2、皮肤的葡萄糖含量相当于血之间，皮肤的葡萄糖含量相当于血糖的糖的23左右，糖尿病患者的皮肤含糖量可更高左右，糖尿病患者的皮肤含糖量可更高。皮肤中的葡萄糖大部分都集中于真皮组织。皮肤中的葡萄糖大部分都集中于真皮组织 光源选用近红外光。近红外光线（光源选用近红外光。近红外光线（0.76-1.5微微米）穿透力强，可达米）穿透力强，可达10毫米，能直接作用到皮肤毫米，能直接作用到皮肤的血管、淋巴管、神经末梢及其他皮下组织的血管、淋巴管、神经末梢及其他皮下组织 光学相干层析法的测量理论基础光学相干层析法的测量理论基础 比尔比尔-朗伯定律：朗伯定律：)(0asdeII随着溶液的葡萄糖浓度的增加，(1)吸收系
3、数在微弱的增大；(2)散射系数逐渐小；两者谁起主导作用取决于入射红外光的波长 光学相干层析法的测量理论基础光学相干层析法的测量理论基础 在红外光波长为在红外光波长为1300nm时，吸收系数远小于散射时，吸收系数远小于散射系数，所以信息主要来源于散特性，即系数，所以信息主要来源于散特性，即:葡萄糖浓度葡萄糖浓度c 的增加将引起背景溶液折射率增加，这是的增加将引起背景溶液折射率增加，这是因为组织液的折射率小于葡萄糖的折射率，因此葡萄糖因为组织液的折射率小于葡萄糖的折射率，因此葡萄糖分子进入组织液后，溶液的折射率将会增加。背景溶液分子进入组织液后，溶液的折射率将会增加。背景溶液折射率的增加，使得散射
4、体与散射背景之间的折射率差折射率的增加，使得散射体与散射背景之间的折射率差减小，从而引起散射系数和散射相函数的变化减小，从而引起散射系数和散射相函数的变化.葡萄糖葡萄糖 相对折射率相对折射率 散射特性散射特性 OCT信号衰信号衰减减 51052.1ISFSnnn光学相干层析技术 光学相干层析术光学相干层析术(OCT)是一种基于弱相干原理的是一种基于弱相干原理的非侵入式微米级分辨率的成像技术，通过测量样非侵入式微米级分辨率的成像技术，通过测量样本组织微弱的后向散射信号，来得到组织内部的本组织微弱的后向散射信号，来得到组织内部的层析结构只要能够建立完善的层析结构只要能够建立完善的OCT理论信号模理
5、论信号模型，通过合适的算法，就能够从型，通过合适的算法，就能够从OCT信号中得到信号中得到生物组织的光学性质生物组织的光学性质 光学相干层析法的实验原理图光学相干层析法的实验原理图 OCT探测的皮肤深度 平均10mgdL的葡萄糖浓度变化会导致OCT信号的斜率变化19 荧光法 荧光法测量的理论基础 室温下正常生物分子处于基态，当吸收外界光能量后部分分子会跃迁到激发态。部分分子经过弛豫过程从高能级回到低能级发出荧光 血液中存在许多具有固有荧光的分子及基团，如血红蛋白、芳香氨基酸、脂肪胺等 血清中的葡萄糖荧光谱 在730nm附近，峰值强度随D葡萄糖浓度在14mmolL到326 mmolL之间变化时随
6、之发生有规律的变化 血细胞中葡萄糖的吸收荧光谱 在720 nm附近有明显特征峰，730 am附近不明显，吸收强度与葡萄糖浓度成反比 全血中葡萄糖的吸收 全血中720 nm和730 nm区域两个峰位的峰值强度随D葡萄糖浓度在15 mmolL到162mmolL之间变化时,随葡萄糖浓增加，730 nm 附近峰值强度逐渐减小 总结 红细胞的谱线同全血形状相似，720 nm附近有明显特征峰，730nm附近峰位不十分明显，720nm附近特征峰的峰值强度随红细胞浓度增加而减小，变化趋势同全血一致。由于全血的720nm荧光肯定不是D葡萄糖特征峰，而红细胞在此处有明显特征峰，因此全血中720nm附近特征峰可能是
7、组成红细胞的某些蛋白质引起的荧光效应。红细胞730nm特征峰不十分明显，弱于全血730nm强度，这是由于全血中D葡萄糖浓度较高的缘故，因此可以确认730nm是D葡萄糖的特征峰，特征峰强度有两部分组成：红细胞内葡萄糖+血清内葡萄糖。而红细胞内葡萄糖含量较少，且红细胞葡萄糖含量相对不会发生变化，是相对稳定的一部分，主要引起血糖浓度变化的是血清内部的D葡萄糖。如果能在全血谱线中去除红细胞的影响，730nm荧光就完全是由血清中D葡萄糖所产生(其他因素影响很小)近红外吸收光谱法 近红外吸收光谱测量原理 近红外光谱主要是含近红外光谱主要是含XH(X为为C，o，N等等)键基团的化键基团的化合物在中红外区域基
8、频振动的倍频及合领吸收。含有这些合物在中红外区域基频振动的倍频及合领吸收。含有这些基团的有机物以及与其结合的无机物样品随着成分含量的基团的有机物以及与其结合的无机物样品随着成分含量的变化，其光谱特征也将随之发生变化。通过化学计量理论变化，其光谱特征也将随之发生变化。通过化学计量理论对样品光谱和成分浓度进行关联，建立校正模型然后通过对样品光谱和成分浓度进行关联，建立校正模型然后通过校正模型和未知浓度的样品的光谱信息来预测样品的组成校正模型和未知浓度的样品的光谱信息来预测样品的组成 葡萄糖的主要成份葡萄糖的主要成份D-葡萄粮葡萄粮C6 H12 O6中有大量的中有大量的C-H键键和和O-H键键 近红
9、外光的特点 相对于中红外光，在近红外区域，体液和软组织相对透明相对于中红外光，在近红外区域，体液和软组织相对透明光的穿透力强，是理想的无创检测光谱段光的穿透力强，是理想的无创检测光谱段 近红外光谱包含了绝大多数类型有机化合物组成和分子结近红外光谱包含了绝大多数类型有机化合物组成和分子结构的丰富信息，不同的基团和同一基团在不同化学环境中构的丰富信息，不同的基团和同一基团在不同化学环境中的吸收波长都有明显差别，可以作为分析获取信息的一种的吸收波长都有明显差别，可以作为分析获取信息的一种有效载体有效载体 近红外吸收系数小，可以使用较长的测量光程，近红外吸收系数小，可以使用较长的测量光程，与中红与中红
10、外相比，样品可以不经稀释，直接测量，消除了涂膜和压外相比，样品可以不经稀释，直接测量，消除了涂膜和压片等复杂的前处理，操作方便。长光程更能反映样品本体片等复杂的前处理，操作方便。长光程更能反映样品本体的整体信息。的整体信息。近红外傅立叶光谱的特点 很高的波长准确度很高的波长准确度 速度快速度快 光谱分辨率高光谱分辨率高 自然杂光不影响测试结果自然杂光不影响测试结果 高信噪比高信噪比 近红外吸收光谱测量的两种实验研究 直接作用于人体皮肤，对细胞间质溶液中的葡萄直接作用于人体皮肤，对细胞间质溶液中的葡萄糖浓度进行测量糖浓度进行测量 对提取的血液或葡萄糖溶液进行葡萄糖浓度的测对提取的血液或葡萄糖溶液
11、进行葡萄糖浓度的测量量 近红外光（1100nm-2400nm)的在细胞间质液中的吸收光谱 此吸收光谱中综合了水，葡萄糖，蛋白质等所有此吸收光谱中综合了水，葡萄糖，蛋白质等所有吸收物质在红外光中的吸收作用吸收物质在红外光中的吸收作用 各物质对不同波长的近红外光的吸收 600-1300nm含的血糖信息不足含的血糖信息不足 1300-1520nm 血糖对其的吸收很明显血糖对其的吸收很明显 1520-1850nm 散射起主导作用，而且这个区散射起主导作用，而且这个区域中，水和脂肪对血糖的吸收也很明显域中，水和脂肪对血糖的吸收也很明显 2000-2500nm 血糖和水，脂肪，蛋白质等对血糖和水，脂肪，蛋
12、白质等对其的吸引作用都很明显其的吸引作用都很明显 1300nm左右的近红外光所测量的血糖浓度 对葡萄糖水溶液和提取的血清，血细胞进行葡萄糖浓度的测量 对葡萄糖溶液的吸收光谱测量 不同葡萄糖溶液的找红外吸收谱不同葡萄糖溶液的找红外吸收谱 相对吸收强度与葡萄粮溶液浓度的关系相对吸收强度与葡萄粮溶液浓度的关系 葡萄糖水溶液的浓度信息可以通过其对应的吸收谱谱线的强度得以表达葡萄糖水溶液的浓度信息可以通过其对应的吸收谱谱线的强度得以表达 含不同D葡萄糖浓度的血清的吸收光谱 当以空白血清做参比时，在当以空白血清做参比时，在1010nm区域，不同区域，不同D葡萄糖含量的血清和不同浓度的葡萄糖含量的血清和不同
13、浓度的D葡萄糖水溶液的谱线强度同葡萄糖含量之间的关系趋势一致，也同朗伯比葡萄糖水溶液的谱线强度同葡萄糖含量之间的关系趋势一致，也同朗伯比 尔定律相吻合。尔定律相吻合。(a)空白血清的吸收谱空白血清的吸收谱(b)不同不同D葡萄糖浓度的血清的吸收谱葡萄糖浓度的血清的吸收谱(c)相对吸收强度与相对吸收强度与 葡萄糖浓度的关系葡萄糖浓度的关系 不同浓度红细胞的吸收谱 在在700nm附近有红细胞的一个特征吸收峰，改变红细胞的浓度，其谱线强度会发生附近有红细胞的一个特征吸收峰，改变红细胞的浓度，其谱线强度会发生 明显变化，相对血清而言，红细胞的近红外吸收谱强度要小的多明显变化，相对血清而言，红细胞的近红外吸收谱强度要小的多 含不同D葡萄糖浓度的红细胞吸收光谱 D葡萄糖含量与谱线强度之间无明显联系。葡萄糖含量与谱线强度之间无明显联系。