３１卷１期 中 国 生物 医学 工程学报 Ｖ０１．３１ Ｎ０．１ ２０１２年２月 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１２ 近红外透射法血糖无创检测光学子系统的构建与分析 杨 星 季 忠 杨 力 彭承琳 （重庆大学生物工程学院，重庆４０００３０） 摘 要：研究血糖的无创检测技术，对于减轻糖尿病患者的检测痛苦，实现血糖浓度的实时监测具有重要意义。传 统的光学方法大都需要利用光谱仪扫描样品光谱，虽获取的数据信息量大，但实验设备复杂，不便于实际推广。使 用１ ３００和１ ５５０ ｎｍ两个特定波长的ＬＥＤ并结合光纤结构，构建基于近红外透射原理的血糖无创检测系统。通过 对５０个１ ３００ ｎｍ波长下光强数据、７５个１ ５５０ ｎｍ波长下光强数据以及３０个空白对照实验数据进行总体分布的秩 和检验，证明系统采集到的１ ３００和１ ５５０ ｎｍ两波长下的近红外光强信号与空白对照信号具有显著差异性。同时， 两组光强信号均符合正态分布，其中１ ３００ ｎｍ波长下光强信号实验样本值 一Ⅳ（４．６０１，１．１３９ ），１ ５５０ ｎｍ波长 下光强信号Ｙ—Ｎ（４．４４６，１．０７８ ）。研究表明，所构建的系统可有效检测含有血糖信息的近红外光强信号，为后 续的数据处理和模型建立奠定基础。 关键词：血糖；无创检测；光路；发光二极管；近红外 中图分类号Ｒ３１８．０８ 文献标志码Ｄ 文章编号０２５８—８０２１（２０１２）０ｌ－．０１４７—０４ Ｔｈｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｎｏｎ－Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｂｌｏｏｄ Ｇｌｕｃｏｓｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｎｅａｒ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ＹＡＮＧ Ｘｉｎｇ ＪＩ Ｚｈｏｎｇ‘ ＹＡＮＧ Ｌｉ ＰＥＮＧ Ｃｈｅｎｇ—Ｌｉｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３０，Ｃｈｉｎａ） Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｌｏｏｄ ｇｌｕｃｏｓｅ；ｎｏｎ－ｉｎｖａｓｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｃａｌ ｒｏｕｔｅ；ＬＥＤ；ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ 引言 用，造成数据处理量大，数据有效使用率较低。 为此，本研究根据比尔－朗伯定律，通过特定波 糖尿病是临床多发病症，严重威胁着人体的健 长的ＬＥＤ光源，运用近红外透射法，构建了无创血 康。实践证明，连续检测糖尿病患者的血糖浓度， 糖检测光学子系统，为后续的数据处理和模型建立 对于指导临床合理用药、减少并发症发生具有重要 奠定了基础。 作用 。传统的血糖浓度检测方法操作较繁琐，检 测过程中会给患者造成疼痛，同时还有感染其他疾 １ 材料与方法 病的危险 ，不利于血糖的频繁检测。为此，研究 １．１ 基本原理 无创血糖检测技术，有利于减轻糖尿病患者的检测 光在组织中的传播服从光的吸收定律，即比尔． 痛苦，实现血糖浓度的实时监测。 朗伯（Ｂｅｅｒ—Ｌａｍｂｅ￣）定律 。设一束强度为厶的平 目前，无创血糖检测的原理和方式有多种。其 行单色光入射到某样品中，由于部分光线被吸收， 中，由于近红外光对于体液和软组织的良好穿透 透过的光强为， ，则 性，近红外方法成为了血糖无创检测的理想方法之 Ａ： ： ｃｄ （１） 一。但是，目前的方法大都需要依靠光谱仪获取数 』 据，而光谱仪属于大型设备，成本不菲。同时，在后 式中，Ａ为样品对入射光的吸收程度（称为吸光 续的数据分析建模中，并不是所有数据都起到了作 度）； 为吸收物的吸光系数，ｄ为样品的光程，Ｃ为 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８—８０２１．２０１２．Ｏ１．０２２ 收稿１３期：２０１１＿０９＿０３，录用日期：２０１１—１１．３０ 基金项目：高校基本科研业务费科研专项（ＣＤＪＺＲ１０２３００１５） ｝通信作者。Ｅ－ｍａｒｌ：ｊｉｚｈｏｎｇ＠ｃｑｕ．ｅｄｕ．ｃａ 中 国生物医学工程学报 吸收物的浓度。 光二极管具有尺寸小且价格便宜、发光功率较高等 特点，因此选用了由美国ＥＰＩＧＡＰ Ｏｐｔｏｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ 根据血糖对近红外光的吸收特性，血糖对１ ５５０ ａｍ波长吸收较强，可携带组织中的血糖浓度信息； 而对１ ３００ ｎｍ波长的吸收较弱，可用在后续数据处 理中，减少组织结构对血糖浓度检测的影响 。在 血糖检测中，对固定波长Ａ，＝１ ５５０ ｎｍ、Ａ ＝１ ３００ ａｍ的透射光进行检测。设￡。。、 。分别为１ ５５０ ｎｍ 波长的测量光强和参考光强， 。：、 分别为１ ３００ ＧｍｂＨ公司生产的１ ３００ ｎｍ ＬＥＤ点光源ＥＬＤ．１３００． ５２５、１ ５５０ ｎｍ ＬＥＤ点光源ＥＬＤ－１５５０—５２５作为系统 光源。 在利用光纤准直器进行ＬＥＤ光纤耦合时，由于 光纤准直器耦合效率有限，如何尽可能将更多的 ＬＥＤ光耦合到准直器中，是整个光路实现的前提。 ａｍ波长的测量光强和参考光强。定义自变量 ，ｉｒ ，，ｒ ＝ｆ １／ｆ一／－￣Ｄ２ １ （２） 、 Ｒｌ，／、 Ｒ２， 定义有创血糖浓度值ｙ为因变量。 由比耳．朗伯定律可知，ｙ与 呈线性关系，线 性回归方程为Ｙ＝ａ＋，ｅｘ。将标准方法测得的血糖 浓度数据与近红外光强值用适当的化学计量方法 建立定标模型，对于未知浓度的样品测量其近红外 光强数据，利用建立的定标模型对其血糖浓度进行 预测分析 。 １．２系统构建 所构建的血糖无创检测光学子系统由ＬＥＤ耦 合前端、检测探头、探测采集３部分组成，其原理如 图１所示。ＬＥＤ耦合前端利用光纤准直器，将两个 ＬＥＤ发射的近红外光束分别聚焦耦合到光纤之中。 两个波长的近红外光进人光纤后，经光纤耦合器合 为一路光束，通过检测探头的准直器射入被检组 织。检测探头的另一准直器接收透射后的近红外 光，由探测器测量光强，并通过采集、调理电路，将 信号转化为数字信号传输到计算机分析处理。 图１血糖无创检测系统原理 Ｆｉｇ．１ Ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎ・ｉｎｖａｓｉｖｅ ｂｌｏｏｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ 近红外分析对光源要求较为严格，不仅要求光 强度大，而且均匀性和稳定性都要保证 。笔者 在设计近红外无创血糖检测系统时，考虑到ＬＥＤ发 为此，笔者设计了由菲尼尔透镜组成的光路聚焦系 统，根据准直器的焦距来确定光路中透镜的安放距 离，利用透镜来尽可能地聚焦发散ＬＥＤ光束，从而 提高了近红外的光功率，如图２所示。菲尼尔透镜 是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有由玻璃制作 的。镜片表面的一面为光面，另一面刻录了由小到 大的同心圆；它的纹理设计利用了光的干涉及扰射 原理，考虑了相对灵敏度和接收角度的要求。菲尼 尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透 镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。光 纤从一侧进入，经过菲尼尔透镜从另一侧出来聚焦 成一点，或以平行光射出 。 蒂尼尔透镜 光纤准直器 图２ 由菲尼尔透镜组成的光路聚焦系统 Ｆｉｇ．２ Ｏｐｔｉｃａｌ ｒｏｕｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｏｄａｆｉｎｉｌ ｌｅｎｓ 系统采用了ＯＳＩ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ公司生产的 ＩｎＧａＡｓ探测器ＦＣＩ．ＩｎＧａＡｓ．３００Ｌ—ＦＣ，具有快速响 应、高灵敏度、低噪声、探测范围９００～１ ７００ ｒｉｍ等 特点。 光纤耦合器使用了深圳市光视通科技有限公 司生产的单模双窗一分二分路器ＦＣ。光纤准直器 根据实验检测的实际需要，分别使用飞秒光电科技 （西安）有限公司生产的１３１０单模、１５５０单模、 １３１０＆１５５０单模双波长和１３１０＆１５５０多模双波长 准直器。 １．３信号获取 采用手指透射测量方法，即检测器和光源分别 位于手指两侧，探测器接收组织的透射光，光在组 织中传输的光程较长，携带的浓度信息较多。同 时，人体手指指端的解剖结构相对简单，浅表毛细 血管网丰富，手指外露测量起来方便 。利用不同 波长（无光对照组、９４０ ｒｉｍ组、１ ３００ ｎｍ组和１ ５５０ 1期杨星等：近红外透射法血糖无创检测光学子系统的构建与分析，149nm组)的，LED，分别进行光路系统的检测实验(其，分是水而葡萄糖胆固醇甘油三酯等成分的含量，、、中940am组实际检测的是手指脉搏波因为脉搏，都很低。同时人体组织(如皮肤肌肉血管)都是，、、波的波形特征非常明显引入该组对比检测可以直观反映系统光路是否调通)数据采样频率为1，很强的近红外吸收体可以用于分析的信息被淹没，000am在这些很强的背景中，¨…。图3(b)获得的是手指脉，Hz。分别记录空白信号305075、、、1300nm信号、1550搏波的波形可以直观地反映系统光路的通畅同时可以观察到噪声对信号的影响，信号各s。首先通过1S50Hz陷波和50，100Hz。图3(c)和图3低通滤波处理再以，为间隔将上述信号分别分、(d)根据检测原理的不同分别携带了不同的血糖段得到空白信号，30段1300am信号段、1550信息明显地看出其与空白组的波形差异，。am信号3075、段；然后将每段信号取均值得到空白信1300nm号75个值。信号50个值、1550nm信号个值14．统计分析利用秩和检验法1500nm’。’分析有光组(1300，nm组或组)与空白无光组的总体分布看其是否。蠢再_≤iOL20IOL05存在显著差异本量。m和n分别为有光组和无光组的样510f／S15]20(b)设x、y分别表示有光组和空白无光组的近红，外透射强度值，F。(x)、F，(z)为它们对应的分布函数则统计假设为胃0：Fxn(*)==F
0510I52005】01520由于30。m所以选择005．的样本秩和作图3t|s|旭(C)(d)为检验统计量在u，a=时拒绝域为，’{I’uI>导}’：{I>uI}>u㈣，，}不同波长下的检测结果。(a)空白组；(b)940；(e=am)1300am；(d)1500nm{lu，l196．(4)，Fig．3lenDetectiongths．resultsunderamdiffe；rent经计算样本秩和r的值为795从而wave(a)NoumLED；(b)940(c)1300!二!!兰±竺±12[三+am一；(d)1500n，+mn(n／√]丁1)秩和检验结果如表1所示。1300，nm组和4．174，>“‘，』2=196．(5)，1550nm组的肛值均在拒绝域之中说明其数据与。’如果落在拒绝域内故拒绝原假设接受备择假设，空白信号存在显著的差异”结合实验理论比尔朗．“即认为两个总体分布存在明显差异伯定律可以判断信号中包含的是血糖浓度信息，。。根据总体分布函数的假设检验计算，，，。疋样本Ta表b．1e秩和检验结果resu值判断分布是否落在拒绝域以检验分布是否属于正态分布。。1Thltsofranksumtest总体分布函数的假设检验采用拟合一优度X检验法其基本思想是设法确定，个能刻画观测数据x，，，x…：，，x。与理论分布”F。(x)之间拟合一]。程度的量即拟合优度，，“，当这个量超过某个界限，时说明拟合程度不高应拒绝战否则接受风根据实验数据：，1300m，=nm组光强实验样本值五。。3结果记录的信号如图3所示。≈=4．601，旁，。=1139。通过总体分布函2=(a)是空白对照组，数的假设检验其x，。样本值的计算如表=所示4．。可见在近红外检测中存在大量的噪声信号近红外1550：nm组光强实验样本值五。，互446，舀。信号被严重地淹没在背景信号之中对近红外光的吸收十分严重血液中，。这是由于水以上的成爿m：=1078．通过总体分布函数的假设检验其，。90％样本值计算如表3所示。１５０ 中 国生物医学工程学报 ３１卷 表２ １ ３００ ｎｍ组光强 样本值计算 Ｔａｂ．２ Ｓａｍｐｌｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ １３００ ｎｍ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ 表３ １ ５５０ ｎｍ组光强信号 样本值计算 Ｔａｂ．３ Ｓａｍｐｌｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ １ ５５０ ｎｍ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ １ ３００ ｎｍ和１ ５００ ｎｍ两组样本符合正态分布 的拒绝域均为 ｛ ＞ ２。一 （ｍ一１一ｒ）｝＝ ｛ ＞ 。２． 。（２）｝＝｛ ＞４．６１ ｔ （６） 属于１ ３００ ｎｍ样本的 ＝０．７６３ ４＜４．６１，同 时属于１ ５００ ｎｍ样本的 ＝３．２３４ ８＜４．６１，均落在 接受域内，可以认为１ ３００ ｎｍ和１ ５００ ａｍ两组样本 的强度值均符合正态分布（ ＝０．１０），即 ～ Ｎ（４．６０１，１．１３９。），ｌ，～Ｎ（４．４４６，１．０７８ ）。 ４ 结论 通过验证１ ３００和１ ５５０ ｎｍ两个波长透射光强 与空白组的统计差异性，证实了比尔－朗伯定律下指 尖组织对不同近红外光的吸收情况，同时也说明 １ ３００和１ ５５０ ｎｍ两个波长的透射光携带了各自相 应的血糖信息。通过处理分析这些光强信号，利用 其中的有效血糖信息，使得近红外的无创血糖检测 成为可能。 根据血液葡萄糖对近红外的吸收特性，适当地 选取利用特定波长的ＬＥＤ光源，从而实现了近红外 血糖的无创检测，具有成本低、实现容易等优点。 实验证明，结合比尔一朗伯定律，通过１ ３００和１ ５５０ ａｍ两个特定波长的ＬＥＤ光源，运用近红外透射法， 能够有效采集到近红外血糖信号，为后续的数据处 理和模型建立奠定了基础。 参考文献 ［１］ 丁海泉，卢启鹏．光学方法在无创生化检验中的研究现状 ［Ｊ］．光机电信息，２０１１，２８（４）：ｌ６—２１． ［２］ Ｓｉｅｇ Ａ，Ｇｕｙ ＲＨ，Ｄｅｌｇａｄｏ－Ｃｈａ￣ｏ ＭＢ．Ｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅ ａｎｄ ｍｉｎｉｍａｌｌｙ ｉｎｖａｓｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｄｅｒｍａｌ ｇｌｕｃｏｓｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ． Ｄｉａｂｅｔｅｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃｓ．２００５，７（１）：１７４—１９７． ［３］ 李刚，周梅，吴红杰，等．无创人体血糖检测光学方法的研究 现状与发展［Ｊ］．光谱学与光谱分析，２０１０，３０（１Ｏ）：２７４４ —２７４７． ［４］ 刘蓉，徐可欣，陈文亮，等．光学无创血糖检测中的主要问题 及研究进展［Ｊ］．中国科学Ｇ辑，２００７，３７（增刊）：１２４— １３１． ［５］ 石小巍．基于光声效应的无创血糖检测仪的研究［Ｊ］．红 外，２００９，Ｏ１：２０—２３． ［６］ 陆婉珍．现代近红外光谱分析技术［Ｍ］．（第２版）．北京： 中国石化出版社，２００７：３０６—３３３． ［７］ ，吴贺利，杨培环．菲涅尔聚光透镜的一般设计方法及 效率分析［Ｊ］．武汉理工大学学报，２０１０，３２（６）：６２—６６． ［８］ Ｆｅｒｒａｎｔｅ ｄｏ Ａｍａｒａｌ ＣＥ，Ｗｏｌｆ Ｂ．Ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｎｏｎ— ｉｎｖａｓｉｖｅ ｇｌｕｃｏｓｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．Ｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｐｈｙｓｉｃｓ． Ｊｕｎｅ ２００８，３０（５）：５４１—５４９． ［９］ 杨虎，刘琼荪，钟波．数理统计［Ｍ］．北京：高等教育出版 社，２００４． ［１０］ 丁海泉，卢启鹏，彭忠琦，等．近红外光谱技术用于无创生化 检验研究的进展［Ｊ］．光谱学与光谱分析，２０１０，３０（８）： ２１０７—２１１０．
