本發(fā)明涉及一種非侵入測(cè)血糖的方法，具體涉及一種用近紅外吸收峰與中紅外特征波長(zhǎng)復(fù)合探測(cè)源，對(duì)人體耳垂組織的紅外光譜吸收探測(cè)得出血糖濃度的方法。
背景技術(shù)：
：根據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)合會(huì)2015年最新發(fā)布的《糖尿病地圖》顯示，中國(guó)糖尿病成年患者高達(dá)1.096億，糖尿病相關(guān)醫(yī)療花費(fèi)總計(jì)510億美元。因此，對(duì)于高血糖及糖尿病患者，甚至是有意管理監(jiān)測(cè)自身健康狀況的未患病者，精確、高效、便捷的血糖測(cè)量監(jiān)控設(shè)備具有巨大的需求量。而傳統(tǒng)的血糖儀需要頻繁扎針采血，并且要保證采血量不能過(guò)少，血液不能被污染，準(zhǔn)備采血試紙，這都給待測(cè)者帶來(lái)了痛苦與不便甚至是感染的風(fēng)險(xiǎn)，為此無(wú)侵入式測(cè)血糖的產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。雖然在這一交叉學(xué)科領(lǐng)域已有一些測(cè)量方法被提出，也有一些國(guó)外公司推出相應(yīng)的產(chǎn)品，但是仍有測(cè)量條件嚴(yán)格、測(cè)量范圍有限、測(cè)量精度不夠、產(chǎn)品不便攜、前期需要植入且價(jià)格昂貴等原因未能得到廣泛推廣。面對(duì)國(guó)內(nèi)龐大數(shù)量的糖尿病患者，亟需研發(fā)出一款非侵入式高精度的便攜使用的血糖儀以滿足廣大糖尿病患者對(duì)健康的迫切需求。而且這樣一款方便測(cè)量的血糖儀不僅可以給糖尿病和高血糖患者用，健康人也可以用來(lái)監(jiān)測(cè)自己的健康狀況?，F(xiàn)有的非侵入測(cè)血糖方法存在以下問(wèn)題。組織液法吸附組織液常需要破壞待測(cè)部位的表皮層，組織液在皮膚表面也容易受到汗液和油脂的污染，并且該方法目前的精確度不高。熱代謝法由于生物代謝熱途徑復(fù)雜多樣，需要大量的傳感器同時(shí)測(cè)量，所以并不便捷而且受環(huán)境和待測(cè)者生理狀況的影響大。超聲法需要在在毫米量級(jí)上進(jìn)行超聲測(cè)速，這需要兆赫茲級(jí)的掃描頻率，要將這一點(diǎn)達(dá)到并使設(shè)備小型化還有待進(jìn)一步研究。旋光法的測(cè)量部位必須是眼球，而在眼球上安裝測(cè)量裝置會(huì)給患者帶來(lái)強(qiáng)烈的不適感，佩戴并不方便同時(shí)存在感染風(fēng)險(xiǎn)。目前關(guān)于紅外非侵入測(cè)血糖的研究均是將探測(cè)波段割裂為近紅外和中紅外兩個(gè)波段研究，其中血糖的近紅外譜譜峰復(fù)雜，尚處于譜學(xué)分析階段；中紅外波段測(cè)血糖則停留在利用傅里葉紅外光譜儀對(duì)裝在樣本池中的模擬血液樣本進(jìn)行紅外譜檢測(cè)階段，對(duì)紅外光測(cè)血糖未有詳細(xì)的理論分析。由于紅外測(cè)血糖的精度受環(huán)境和個(gè)體的溫度影響較大，而現(xiàn)有的紅外測(cè)血糖方法未有提出詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型并溫度因素動(dòng)態(tài)結(jié)合，因此存在客觀誤差。同時(shí)，現(xiàn)有的測(cè)量手段只能對(duì)非常高的血糖濃度變化(以100mg/dL為間隔)有較精確的測(cè)量。而人類在空腹時(shí)全血的正常血糖范圍在70～110mg/dL，餐后一小時(shí)不超過(guò)200mg/dL,為能夠有效的監(jiān)測(cè)血糖，測(cè)量精度至少要達(dá)到10mg/dL，并考慮到上述分析中提到的感染風(fēng)險(xiǎn)等因素，提高人類的健康生活質(zhì)量，對(duì)于廣大糖尿病患者，一種非侵入且更為便捷有效的人體血糖精確測(cè)量的手段越來(lái)越成為迫切需求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種非侵入紅外復(fù)合吸收精測(cè)血糖變化的方法，利用近紅外吸收峰與中紅外特征波長(zhǎng)復(fù)合的探測(cè)源對(duì)人體組織的吸收探測(cè)計(jì)算得出血糖濃度，并以溫度動(dòng)態(tài)調(diào)整測(cè)量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，以葡萄糖的旋光性提高探測(cè)靈敏度，達(dá)到低濃度血糖的精確測(cè)量。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種非侵入紅外復(fù)合吸收精測(cè)血糖變化的方法，首先根據(jù)葡萄糖分子振動(dòng)和COMSOL模擬仿真結(jié)果確定復(fù)合探測(cè)源的選擇波長(zhǎng)；然后利用生物組織的選擇性透過(guò)和血糖的特征吸收建立透射光強(qiáng)與糖濃度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并利用人體測(cè)試部位的熱輻射定標(biāo)溫度，為模型提供實(shí)時(shí)有效的動(dòng)態(tài)參數(shù)，減小因待測(cè)個(gè)體和部位的差異而造成的誤差；最后利用葡萄糖的手性旋光現(xiàn)象以垂直偏振的方式消除光強(qiáng)直流項(xiàng)。具體實(shí)施步驟如下：一、確定復(fù)合探測(cè)源的選擇波長(zhǎng)：選擇8.3～10um作為復(fù)合探測(cè)源的中紅外探測(cè)波長(zhǎng)，選擇1550nm和1310nm作為復(fù)合探測(cè)源的近紅外探測(cè)波長(zhǎng)。二、利用生物組織的選擇性透過(guò)和血糖的特征吸收建立透射光強(qiáng)與糖濃度之間的數(shù)學(xué)模型：T＝10-μ(ν,c,T)b。式中，μ(ν,c,T)＝α(ν,c,T)+β(ν)+γ，α(ν,c,T)是吸收系數(shù)，β(ν)是Rayleigh散射系數(shù)，γ是Mie散射系數(shù)。三、利用人體測(cè)試部位的熱輻射定標(biāo)溫度，為模型提供動(dòng)態(tài)參數(shù)α(ν,c,T)：為了測(cè)量探測(cè)部位的具體溫度，探測(cè)其在紅外的最大輻射波長(zhǎng)，根據(jù)黑體輻射公式對(duì)波長(zhǎng)求導(dǎo)：dM(λ,T)dλ=(1-hC5λkT)exp(hCλkT)-1=0.]]>其中，C為真空中光速。以此可以求出不同的絕對(duì)溫度下的輻射中心波長(zhǎng)。測(cè)量人體耳垂為37°時(shí)，耳垂的生物熱輻射峰波長(zhǎng)為9.43um，可以得出待測(cè)生物組織的溫度浮動(dòng)對(duì)應(yīng)的人輻射波長(zhǎng)處于中紅外。通過(guò)探測(cè)待測(cè)耳垂的中紅外譜不僅可以得到血糖糖環(huán)的吸收信息，還可反饋耳垂的實(shí)時(shí)溫度，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模型中的理論吸收系數(shù)α(ν,c,T)以達(dá)到對(duì)所設(shè)定的廣義系數(shù)的調(diào)節(jié)，其中：α(v,c,T)=N1B12·hnvC·[1-exp(-hvkBT)]=c·NA·g·exp(-EkBT)·B12·hnvC[1-exp(-hvkBT)]]]>其中，能級(jí)處于低能級(jí)E的原子數(shù)密度c為血糖濃度，C為真空中光速，n為折射率，ν為入射光頻率，T為絕對(duì)溫度，NA為阿伏伽德羅常熟，g為能級(jí)簡(jiǎn)并度，kB為玻爾茲曼常數(shù)，B12受激吸收系數(shù)，h為普朗克常數(shù)，E是低能級(jí)的能量(單位為eV)，c為血糖濃度。在探測(cè)出透過(guò)率以知道此時(shí)的吸收度時(shí)，在確定的溫度下能得到更準(zhǔn)確的血糖值。四、利用葡萄糖的手性旋光現(xiàn)象以垂直偏振的方式消除光強(qiáng)直流項(xiàng)：1mmol/L的葡萄糖房水溶液的旋光角度為：[θ]633nm=θcL≈10-6(mmol/L)-1(mm)-1;]]>θ＝[θ]633nmcL＝(1.2×10-7)°。由此可知低濃度葡萄糖溶液的小角度旋光偏轉(zhuǎn)角度。設(shè)置起偏器與檢偏器(如圖3)，在待測(cè)耳垂的兩端并在方向上完全相互垂直，探測(cè)光作用于手型結(jié)構(gòu)的葡萄糖分子上發(fā)生偏振方向的偏轉(zhuǎn)，當(dāng)透過(guò)耳垂的信號(hào)光通過(guò)檢偏器時(shí)，按照馬呂斯定律：I＝I0cos2θ，基底背景光則被與起偏完全垂直的檢偏器全部濾去。因此出射光中信號(hào)光所占的百分比被大大提高，低濃度對(duì)紅外光的吸收調(diào)制作用被放大，解決了低濃度變化對(duì)信號(hào)調(diào)制度小相對(duì)較小而使信號(hào)被淹沒(méi)的問(wèn)題。利用碲鎘汞APD對(duì)透射信號(hào)進(jìn)行探測(cè)就可根據(jù)透過(guò)率推算出此時(shí)的血糖濃度。本發(fā)明利用近紅外與中紅外復(fù)合的多效探測(cè)光源建立人體耳垂生物組織的血糖的特征吸收模型，以透射光強(qiáng)與糖濃度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系非侵入地測(cè)量人體血糖，通過(guò)利用人體測(cè)試部位的熱輻射定標(biāo)溫度，為模型提供實(shí)時(shí)有效的動(dòng)態(tài)參數(shù)，減小了因待測(cè)個(gè)體和部位的差異而造成的誤差，并利用葡萄糖的手性旋光現(xiàn)象以垂直偏振的方式消除信號(hào)光直流項(xiàng)，提高靈敏度，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)修正的低濃度血糖的非侵入紅外探測(cè)。附圖說(shuō)明圖1為葡萄糖的異構(gòu)分子結(jié)構(gòu)及所占比例，a：37％α-吡喃葡萄糖，b：63％β-吡喃葡萄糖；圖2為1550nm和1310nm作為光源的血糖濃度與吸光度的關(guān)系，a：1550nm，b：1310nm；圖3為消除基底光的系統(tǒng)示意圖；圖4為葡萄糖的一倍頻及合頻吸收曲線，a：葡萄糖一倍頻吸收曲線，b：葡萄糖合頻吸收曲線；圖5為COMSOL模擬耳垂對(duì)1550nm和1310nm的近紅外吸收。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。本發(fā)明提出了一種利用近紅外吸收峰與中紅外特征波長(zhǎng)復(fù)合的探測(cè)源對(duì)人體組織的吸收探測(cè)計(jì)算得出血糖濃度的方法，具體實(shí)施步驟如下：步驟一：復(fù)合探測(cè)源選擇波長(zhǎng)的確定1、中紅外探測(cè)波長(zhǎng)的確定中紅外探測(cè)波長(zhǎng)的確定需要求出葡萄糖的特征基團(tuán)在中紅外的簡(jiǎn)正模式和紅外活性，血糖中葡萄糖的常見(jiàn)分子形式及其比例如圖1所示，將C的質(zhì)量設(shè)為m1，H的質(zhì)量設(shè)為m2，O質(zhì)量設(shè)為m3，相鄰兩原子間相對(duì)位移設(shè)為Δxi(i＝[1,1,24])。葡萄糖分子的動(dòng)能：T=12m1(Δx·12+Δx·22+Δx·32+Δx·42+Δx·52)+12m3Δx·62+12m2(Δx·72+Δx·82+Δx·92+Δx·102)+....]]>葡萄糖分子勢(shì)能：V=12k[(Δx1-Δx2)2+(Δx2-Δx3)2+(Δx3-Δx4)2+...].]]>其中k為彈性系數(shù)。定義廣義坐標(biāo)：qi=miΔxi,i=1,2...24.]]>將動(dòng)能和勢(shì)能帶入拉格朗日方程：ddt(∂T∂q·i)+∂V∂qi=0.]]>以分子偶極矩的變化作為紅外活性的判據(jù)，則有：Px=Px0+Σj(∂Px∂ξi)0ξi+...Py=Py0+Σj(∂Py∂ξi)0ξi+...Pz=Pz0+Σj(∂Pz∂ξi)0ξi+...]]>(∂Px∂ξi)0·(∂Py∂ξi)0·(∂Pz∂ξi)0=0.]]>其中，Px,Py,Pz為分子在x,y,z方向上的偶極矩，ξi為簡(jiǎn)正坐標(biāo)：ξi=ξi0cosωt.]]>根據(jù)葡萄糖分子振動(dòng)能級(jí)的計(jì)算，葡萄糖各基團(tuán)的振動(dòng)特征吸收峰在中紅外波段，其中含氫官能團(tuán)(C-H、O-H)的伸縮振動(dòng)吸收頻率在2000cm-1以上，而C-O-C糖環(huán)的振動(dòng)吸收在1200～1000cm-1。相比于血液中的其他紅外吸收分子，葡萄糖的糖環(huán)結(jié)構(gòu)可作為葡萄糖的表征結(jié)構(gòu)，因此中紅外的吸收特征譜的探測(cè)光源選定為8.3～10um。2、近紅外探測(cè)波長(zhǎng)的確定近紅外吸收主要是基頻在2000cm-1以上的中紅外特征峰的倍頻，對(duì)于葡萄糖來(lái)說(shuō)2000cm-1以上的基頻振動(dòng)主要是含氫官能團(tuán)(C-H、O-H)的伸縮振動(dòng)的倍頻、合頻及一系列峰的交疊。由圖4可以看出，在合頻區(qū)吸收峰信號(hào)更窄，但是考慮到第一倍頻區(qū)沒(méi)有蛋白質(zhì)、脂肪和血色素的吸收峰以及水在1688nm、1536nm、1408nm處有吸收峰，所以選定1550nm和1310nm為復(fù)合光源中近紅外波段的探測(cè)波長(zhǎng)。步驟二：建立紅外吸收的數(shù)學(xué)模型?？紤]到非侵入測(cè)量生物組織中血糖的濃度時(shí)近紅外吸收的復(fù)雜性，以Beer-Lambertlaw為基礎(chǔ)，則有：A=Σi=1m0.4343aiNAbniV·NA,]]>ϵi=0.4343NAaici=niV·NA.]]>其中，ai為第i種吸收原子的單個(gè)原子的吸收截面，ni為第i種吸收原子的原子總數(shù)，b為輻射厚度，V為樣本體積，εi為第i種吸收原子的摩爾吸收系數(shù)，ci第i種吸收原子的濃度，A為吸收度，NA為阿伏伽德羅常數(shù)，m為吸收分子的種類總數(shù)，i＝1,2…m。從理論上推導(dǎo)出吸收度與濃度為正比例函數(shù)關(guān)系。但結(jié)合圖2曲線所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有：A1550nm=10029c+934029;]]>A1310nm=53c+50.]]>其中：A為吸收度，c為血糖濃度?？紤]實(shí)際實(shí)驗(yàn)中測(cè)量樣本的散射不可忽略，光的單色性和探測(cè)也會(huì)使結(jié)果出現(xiàn)偏差，所以將Beer-Lambertlaw加入Rayleigh散射系數(shù)β(ν)和Mie散射系數(shù)γ及探測(cè)器的響應(yīng)函數(shù)f(ν)，修正為：I(ν,T)＝I0(ν)exp[-ε(ν,T)cb-β(ν)b-γb]·f(ν)；A=lgI0It=b[ϵ(v,T)c+β(v)+γ]-lgf(v).]]>在設(shè)定探測(cè)器理想的情況下，定義廣義的系數(shù)：μ(ν,c,T)＝α(ν,c,T)+β(ν)+γ。其中，吸收系數(shù)α(ν,c)與摩爾吸收系數(shù)ε(ν)及血糖濃度c存在關(guān)系：α(ν,c,T)＝ε(ν,T)c。由于對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度矢量和波矢有：結(jié)合MaxwellEquations，將會(huì)有：進(jìn)一步得到消光系數(shù)與設(shè)定的廣義系數(shù)存在如下關(guān)系：κ=μ(v,c,T)λ4π.]]>在COMSOL模擬仿真下得到1550nm和1310nm近紅外光透過(guò)率與低濃度時(shí)血糖濃度的關(guān)系如下：T1310＝-0.0028c+0.8102；T1550＝-0.0003c+0.7799。上述近紅外透射率與濃度的關(guān)系作為近紅外低濃度測(cè)血糖的參考線，在復(fù)合光全濃度范圍內(nèi)依照公式(考慮探測(cè)器理想即f(ν)＝1)：A=lgI0It=lg1T=b[ϵ(v,T)c+β(v)+γ];]]>μ(ν,c,T)＝α(ν,c,T)+β(ν)+γ；T＝10-μ(ν,c,T)b。步驟三：利用自體輻射波長(zhǎng)反應(yīng)樣品實(shí)時(shí)溫度，為模型提供動(dòng)態(tài)參數(shù)。對(duì)于紅外非侵入測(cè)血糖而言，測(cè)試個(gè)體的差異常導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差，其中測(cè)試部位的溫度的差異對(duì)數(shù)學(xué)模型中吸收系數(shù)的得出有著重要影響。為解決這一問(wèn)題，考慮人體在保持一定的溫度下持續(xù)進(jìn)行著熱輻射，通過(guò)Wien'sDisplacementLaw可知輻射體的輻射中心波長(zhǎng)與輻射體的溫度存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)計(jì)算可知耳垂作為輻射體在9.26～9.43um范圍內(nèi)將出現(xiàn)波峰。因此可以通過(guò)對(duì)自體輻射中心波長(zhǎng)的測(cè)量通過(guò)T·λ＝2.898×10-3m·k(T為絕對(duì)溫度，λ為中心波長(zhǎng))得到測(cè)試部位的具體溫度，已達(dá)到吸收系數(shù)的實(shí)時(shí)更新，在接收透射信號(hào)以得出吸收度時(shí)，利用更新的吸收系數(shù)值可得出更精確的血糖濃度。步驟四：利用旋光效應(yīng)提高低濃度探測(cè)靈敏度。從模擬結(jié)果可以看出血糖濃度變化1mmol/L，透射光強(qiáng)的變化量占透射光強(qiáng)的百分比非常小，為提高信號(hào)光所占百分比以達(dá)到高靈敏度的探測(cè)，根據(jù)葡萄糖分子對(duì)線偏振的紅外探測(cè)光源的旋光效應(yīng)，利用完全垂直的起偏檢偏系統(tǒng)(如圖3)將基底光濾去，作為分母的透射光強(qiáng)減小，所以透射光強(qiáng)隨濃度的變化量所占的百分比變大，利用碲鎘汞APD對(duì)透射信號(hào)進(jìn)行探測(cè)就可根據(jù)透過(guò)率推算出此時(shí)的血糖濃度。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3