陈瑶近红外光谱无创检测血糖浓度的初步研究.docx

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陈瑶近红外光谱无创检测血糖浓度的初步研究

河北工业大学

毕业设计说明书

作者：

陈瑶学号：

080888

学院：

电气工程学院

系（专业）：

生物医学工程

题目：

近红外光谱无创检测血糖浓度的初步研究

指导者：

陈韵讲师

评阅者：

（姓名）（专业技术职务）

2012年5月25日

毕业设计（论文）中文摘要

题目近红外光谱无创检测血糖浓度的初步研究

摘要：

血糖含量是评价糖尿病的重要指标，应用近红外光谱法有可能实现对人体血糖水平的无创伤检测。

本文以葡萄糖水溶液作为样本，对无创血糖浓度检测的方法进行了初步试验研究。

首先分析了葡萄糖水溶液近红外光谱检测的最佳波段范围，然后研究了光谱数据的预处理方法，最后对建立校正模型采用的化学计量学方法进行了研究。

选择了含有较多葡萄糖光谱信息的1300~1800nm作为全谱分析区域，采用多元散射校正（MSC）的方法对光谱数据进行了预处理，并利用偏最小二乘的方法建立葡萄糖浓度预测模型。

实验结果表明：

相对于MSC处理前，PLS模型的实际预测偏差（RMSEP）明显改善，RMSEP值由13.9982mg/dl降为2.3391mg/dl。

这对于血糖浓度测量的研究具有一定的现实意义。

关键词：

血糖浓度；无创伤检测；近红外光谱法；多元散射校正；偏最小二乘法

毕业设计（论文）外文摘要

TitleStudyonNon-invasiveBloodGlucoseMeasurementbyNear-infraredSpectroscopy

Abstract

Bloodglucoseconcentrationisakeyparametertoestimatediabetes.Non-invasivemeasurementofhumanbloodglucoseconcentrationmayberealizedbyusingNear-infrared（NIR）Spectroscopy.Inthispaper,thepreliminaryexperimentstudybyusingthesamplesofglucoseaqueoussolutionistried.Thebestspectroscopyrangeformeasurementisanalyzedfirstly.Thenthepretreatmentmethodofspectraisstudied.Andthechemomtricsmethodforestablishingcalibrationmodelisdiscussedindetailatlast.Thespectrawithin1300~1800nm,whichcontainingmoreglucoseabsorptioninformation,areselectedforanalysis.MultiplicativeScatterCorrection（MSC）ischosenasthepretreatmentmethodandPartialLeastSquares（PLS）methodisusedtoestablishthecalibrationmodel.TheresultsshowthattheRootMeanSquareErrorofPrediction（RMSEP）ofthePLSmodelisreducedsignificantlyafterMSCpretreatment.TheRMSEPmerelyreducedfrom13.9982mg/dlto2.3391mg/dl.ItisinstructiveforthestudyofbloodglucosemeasurementwithNIRspectroscopy.

Keywords：

Bloodglucoseconcentration；Non-invasivemeasurement；Near-infraredSpectroscopy；Multiplicativescattercorrection；Partialleastsquaresmethod

目次

1绪论………………………………………………………………………………1

1.1无创检测人体血糖浓度的研究背景和意义…………………………………1

1.2血糖检测方法的发展现状……………………………………………………2

1.3近红外光谱法无创测量人体血糖浓度的特点…………………………………6

1.4本论文主要研究内容和结构安排…………………………………………7

2近红外光谱检测技术的原理………………………………………………………8

2.1朗伯-比尔定律…………………………………………………………………9

2.2近红外光谱数据预处理方法…………………………………………………10

2.3近红外光谱分析方法…………………………………………………………12

3近红外光谱血糖检测的初步实验研究…………………………………………17

3.1光谱分析波段的选择…………………………………………………………17

3.2多元散射校正（MSC）对光谱数据的预处理…………………………………18

3.3葡萄糖浓度预测结果及其分析………………………………………………21

结论…………………………………………………………………………………25

参考文献………………………………………………………………………………27

致谢………………………………………………………………………………29

1绪论

1．1无创检测人体血糖浓度的研究背景和意义

糖尿病是一种常见的内分泌疾病。

它是由于遗传因素、免疫功能失调、精神因素和微生物感染等其它致病因子作用于患者机体，导致患者体内胰岛素含量绝对或者相对不足，进而引起体内糖、水、脂肪、蛋白质和电解质等多种物质产生代谢紊乱。

在临床上糖尿病以高血糖为主要特征，大多数糖尿病人会表现出“三多一少”的症状，即多食、多饮、多尿、消瘦等。

如果糖尿病病情一旦控制不好，会使人体免疫力下降，容易患上感冒、肺炎及肺结核等各种感染性疾病，并且有选择性地侵害、吞噬人体细胞，减弱体内抗癌细胞的防御机能，至使癌细胞活跃、聚集。

同时糖尿病也会引发一系列并发症，主要表现为患者全身微循环出现障碍，包括心脑血管疾病、微血管病变、视网膜病变、神经病变及慢性肾衰竭等，且都无法治愈。

如果糖尿病患者的病情得到了很好的控制，就能够有效的降低罹患上述并发症的危险。

目前,糖尿病患者的数量逐年递增，据世界卫生组织2011年的报告统计，全球糖尿病患者已超过3.66亿，估计仅2004一年就有340万人死于高血糖引起的疾病，而在低收入和中等收入的国家中，糖尿病患者的死亡率超过80%。

中国的糖尿病发病率高达9.7%，患者数量已超过五千万，居世界第二。

从以上调查数据中可以看出,中国的糖尿病现状已十分严峻。

由于大多数糖尿病患者的血糖浓度未达到理想的控制目标，容易引起相应的并发症，使糖尿病相关的医疗费用支出庞大。

仅2008年全球的血糖检测市场就高达68亿美元，可见糖尿病目前已成为一个严重的公共卫生问题[1]。

鉴于糖尿病患者在临床表现中无明显症状，如果不对其进行血糖测量将很难分辨并确诊为糖尿病患者，等到患者出现相应症状时也已经引起了各种糖尿病并发症。

因此在对糖尿病的诊断、控制和治疗中，患者血糖水平的高低起着十分重要的作用。

医学界普遍认同通过对病人血糖值的控制，将其维持在一个安全的水平范围内，可以防止患者糖尿病病情的恶化，减少相应的并发症。

世界卫生组织（WorldHealthOrganization）也推荐对患有糖尿病的患者，采取血糖浓度的自我监测，随时的、连续的掌握体内血糖变化情况，实现精确管理血糖浓度值，调整现行用药方案，这样才能较好的控制血糖浓度，对糖尿病的治疗及并发症的预防具有重要意义。

目前，对糖尿病患者血糖浓度的监测一般是采取有创或微创法进行检测。

这两种方法都需要采集患者血样，不仅容易对患者造成各种体液传染性疾病的传播，给患者带来痛苦和不便，而且较高的检测费用也限制了血糖检测的频率。

由于无法随时、连续的掌握患者体内血糖浓度的变化情况，医生难以对患者实现理想的治疗和管理。

因此，研究一种无创伤血糖浓度检测的方法，具有十分重要的社会和经济意义：

（1）无痛、无感染，减少患者采血时的痛苦和不便；

（2）可以提高患者检测血糖的频率，从而精确控制血糖浓度值；

（3）可以取代有创检测技术，不仅减少对材料的耗费，降低患者测量血糖的费用，而且能降低对环境的污染；

（4）有助于对糖尿病患者的治疗及并发症的预防，加强患者的日常健康管理，提高生活质量；

（5）它由多学科交叉发展，结果将带动光谱技术、化学计量学分析技术、数据处理技术的发展，其各种研究成果也可推广运用于人体内其他化学成分的无创检测。

1．2血糖检测方法的发展现状

现行血糖浓度测量仪器分很多种，按照检测时患者受创伤的程度可以分为有创伤的检测仪，微创伤的检测仪和无创伤的检测仪[2]。

其中，有创检测方式是血糖浓度检测的传统方法。

该方法是从被测者体内抽取血液，然后应用一次性试药通过生化的方法来实现。

有创检测虽然测量结果非常精准，但是它采血量多，通常需要3000~5000微升；化验时间慢，一般第二天才能得到结果；程序操作复杂，只有受过专业培训的人才能进行操作；机器价格昂贵，测试费用高。

这些缺点使得有创检测不仅容易造成各种体液传染性疾病的传播，给病人带来痛苦和不便，而且也限制了检测血糖的频率，无法满足对患者血糖浓度的实时、长期、连续性监测。

采用微创检测方式如图1.1所示，是先用装有采血针的采血笔对病人手指进行采血，将血液滴于血糖试纸上，然后将试纸插入血糖检测仪，血糖仪会在几秒至几分钟的时间内显示出患者的血糖值。

与有创检测方法相比，微创检测方法可以实现微量的、快速的采血过程。

目前，已取得各国政府管理机构认证的商品化的血糖监测仪绝大多数都是微创伤的检测方式。

其中，强生、罗氏、拜耳、雅培利舒坦等医疗器械企业生产的血糖仪销量较好。

2007年，仅拜耳一家企业在大中华地区的血糖仪销售额就为18亿欧元。

尽管微创检测方法具有稳定可靠、采血量少、经济方便等优点，尤其对那些需要连续多次血糖监测的病人，可减轻多次采集静脉血造成的痛苦，能够比较准确的测得血糖值，但是采血造成的微痛感和创伤点仍然不利于患者进行频繁的自我监测，难以对患者实现理想的治疗和管理。

图1.1微创血糖检测仪

由此可见，实现人体血糖的无创伤快速检测具有非常重要的意义。

无创检测血糖的方式如图1.2所示，该方法不需要对患者进行采血，只需将具有一定波长的光照射在患者手掌或其他身体部位的表面，再根据返回光束的细微变化进行相应计算，来得出患者的即时血糖值、血氧量、脂肪比等信息。

相对于有创和微创检测技术，无创检测不仅具有无痛、无感染，测量快速、测量简单等优点，还可以降低血糖测试费用、改善现行用药方法、精确监控血糖[3-4]，也为闭环式胰岛素泵人工胰腺提供重要保证，是血糖检测技术发展的方向[5]。

然而到目前为止，还没有出现与有创检测方法精度相当的无创检测方法的报道及专利[6]。

图1.2无创血糖仪系统示意图

由于无创血糖浓度测量的重要科研价值和广泛的社会意义以及潜在的经济效益，近几十年来一直是国际学术界的热点研究之一。

多家科研机构及公司，针对无创血糖浓度检测技术进行了持续而深入的研究，并不断取得阶段性成果。

上世纪70年代，美国的Jobsis[7]和德国的Kaiser[8]开始尝试用光学方法对人体成分进行测量。

这个时期对无创血糖浓度检测技术的研究主要聚集在尝试各种检测方法及申请专利上，如光的折射及偏振、眼底吸收等等，其中眼底吸收测量由于实现难度较大，研究人员较少，实验设施有限等原因，研究进展的报道很少。

而最有希望的方法是由Dähne于1987年首次提出的运用近红外分光原理进行人体血糖无创伤检测的方法，并申请了专利。

随着化学计量方法和计算机技术的飞速发展，无创血糖研究在1990~1998年迎来了高峰期，主要以近红外散射和透射检测为主。

而近十年来无创血糖检测的研究主要以近红外漫反射为主，并不断产生了一些新的方法，如OCT技术等。

无创检测血糖浓度的发展动态大致可以分为如下三个阶段：

第一阶段主要在1984~1995年，为较封闭的独立研究阶段。

由于血糖无创检测的巨大市场前景和潜在经济效益，出现了多家热衷于仪器开发和专利申请的高科技公司。

如Futrex公司在1992年的Oak-Ridge会议上，首次展出了第一台利用光吸收原理制成的血糖无创测量产品样机。

Biocontrol公司的样机Diasensor1000型无创血糖仪在1996年获得了CE认证（欧洲市场安全认证标志）[9]。

但由于开发的仪器对被测对象复杂、测量环境不稳定等所带来的基本问题重视不足、研究不够，不能满足临床精度的要求，使得仪器均未通过美国食品及药物管理局（FDA）的认证，很多课题组基本上已停止了对本项目的研发。

第二阶段主要在1996~2005年，为合作研究阶段。

九十年代中后期，发达国家逐渐认识到血糖无创检测课题的难度，开始以国家项目基金的形式支持相关科研研究。

如2000年日本在经济产业省的支持下，成立了包含松下电工、东京工业大学、北海道大学等多家研究单位构成的项目组，投资六亿四千万日圆[10]。

德国多特蒙德光谱化学研究所，在Heise教授的领导下，运用中红外光谱的原理，进行反射式测量，从人体口腔粘膜处获取血糖信息[11]。

桑迪亚国立实验室与新墨西哥医科大学Haland研究组，采用透射式方法进行近红外光谱无创检测血糖浓度的研究。

美国Iowa大学由M.A.Arnold领导的无创血糖研究组和Ohio大学Small研究组从1992年开始得到NIDDK（美国糖尿病、消化和肾脏疾病国家研究所）和NIH（美国国家卫生研究所）的连续资助，旨在研发一种基于近红外光谱原理的连续血糖浓度测量系统，来对糖尿病患者进行治疗和管理。

在2007年，该研究组又获得96.7万美元的联邦基金资助，该小组已经在血糖无创检测领域坚持研究达30年之久[12-13]，具有雄厚的研究基础和经验。

但由于没有攻克近红外血糖无创检测技术面临的一些关键难题，研究基本上在可预见的时间内难以实现突破，目前还不能达到可以临床应用的目标。

随着研究的不断深入，人们也逐渐淘汰了一些光学方法，如穿透能力浅的中红外法、测量能量不易被接受的拉曼法、信号异常微弱的光声法等，并将血糖无创检测的希望重点寄托在能深入传播到组织内部的近红外反射光谱方法上。

第三阶段主要在2006~至今，为方法创新阶段。

比如以色列的OrSense公司生产的仪器，是对被测对象施以外界压力以阻断血流，在动态过程中实现精确测量，该仪器已于2007年得到欧洲的CE认证。

新加坡的Healthstat公司，运用新型长波激光器，尝试对指尖进行透射的测量。

在NIH的资助下，美国的InLightSolution公司，研究出能够从皮肤上识别出与血糖浓度变化密切相关的特定解剖区域。

澳大利亚的AiMedics公司[14]、韩国的Samsung公司[15]等也已经在这方面进行了大量的基础性研究。

我国在这方面的研究虽然起步较晚，主要以大学的科研为主，资金来源于国家或省部级基金资助，但目前也已经有数个研究小组运用近红外光谱对人体内无创血糖检测技术进行了深入的展开。

如中国医科大学的沙宪政、清华大学的丁海曙在近红外无创血糖浓度检测技术方面进行了大量基础性研究。

西安交通大学的王炜设计出近红外多波长传感器阵列，可以在全血中进行血糖检测。

北京大学的吴瑾光研究小组运用中红外检测方法对人体血糖的无创测量进行了研究。

华中科技大学的骆清铭设计出近红外三波长的血糖浓度检测系统。

中科院长春光机所的张洪艳运用近红外光谱系统对手腕进行了血糖检测。

天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室的徐可欣，把在国外八年的无创血糖测量研究经验带回国。

该团队在多项国家自然科学基金和科技攻关等项目的资助下，利用近红外光谱技术在血糖无创检测方面进行了大量的、系统的研究。

从2000年至今，已研制出四套无创伤血糖浓度测量系统和具有自主知识产权的样机，通过多例临床研究取得的经验，在AOTF分光系统设计、背景影响的消除、测量条件的把握等多个方面获得了诸多研究结果，并申请了国家发明专利及国际专利[16-18]。

目前，针对血糖无创检测的研究主要有两个趋势：

一个是以微创伤的血糖检测逐渐替代有创伤的方法。

随着微机电系统（MEMS）技术的不断发展，传感器有可能做得更为精小，但它仍需要消耗材料，对患者成一定程度的创伤。

目前，已经有仪器通过了美国FDA的许可认证，但仍有很多限制。

如美国Cygnus公司研发的微创血糖仪只针对年龄在18岁以上的成年人，并且血糖仪在使用者出汗、低血糖或手臂过于劳累时无法正常工作。

因此，用微创检测方法代替有创检测只能作为一个过渡方案，是无创血糖检测技术成功之前的一个有益补充。

而另一个趋势就是坚持无创伤血糖测量方法的研究，它需要在测量方法上进行创新。

也正是因为无创血糖测量包含十分重要的科学意义、社会价值和经济利益，各国政府从未放弃对该项技术的支持，在不断积累测量经验的基础上研究人员正在对新的测量原理和方法进行研究。

1．3近红外光谱法无创测量人体血糖浓度的特点

近红外光谱技术之所以能够在短短的十多年内有着如此迅速的发展，主要是因为它对有机化合物的分析测定方面有着以下独特的优越性。

（1）近红外谱区内光散射效应大，穿透深度强。

因此可以用漫反射技术对样品进行直接测定。

（2）近红外区域的倍频及合频吸收系数很小，因此无需用溶剂稀释样品就可以直接测定，使分析过程简化，分析成本降低，便于实现生产过程的实时测定。

（3）可以得到精度很高的定量结果，也可以对样品进行定性分析。

（4）不破坏样品，不污染环境。

近红外光谱分析只需取得样品的光谱信号，不会破坏或消耗样品本身。

因此在对活体生物组织的测量中，利用近红外光谱技术可以实现真正意义上的无创伤测量。

（5）测定速度快，分析效率高。

一般一个样品取得近红外光谱数据后，通过建立好的校正模型可快速对样品的化学成分作出定量或定性的分析，整个过程可以在1~2分钟内完成。

正是由于近红外光谱的这些优点，使得它在无创血糖检测技术中具有无创无痛、检测速度快、分析效率高、分析成本低、测试重现性好等特点，被认为是最有应用前景、能较好实现的无创血糖检测技术之一，已成为当前国内外研究的热点课题，也是目前各种无创光谱检测中投入研究最多的技术之一[19-20]。

目前，虽然采用近红外光谱法进行血糖无创测量是血糖浓度检测技术最好的发展方向，但就当前研究现状而言仍存在一定的技术难点，这其中包括如何提高检测器件的灵敏度、消除各种噪声造成的干扰、减小被测个体差异和测量条件的影响措施、从各种相互重叠的光谱中获取微弱的血糖浓度信息（包括多波长测量和数据分析方法）等。

只有解决这些问题，近红外光谱无创血糖检测技术的研究才能取得突破性的进展,实现真正的临床应用。

1．4本论文主要研究内容和结构安排

本论文的具体内容及结构安排如下：

1.第一章为绪论

介绍了无创血糖检测的一些相关基础知识，包括糖尿病基本常识及其现状、血糖基础知识；阐明了无创检测人体血糖浓度研究的背景和现实意义；综述了现行血糖浓度检测方法，包括有创、微创、无创三种方法；重点表述了运用近红外光谱法进行血糖浓度无创检测的研究现状和特点；概括了本论文的主要研究内容及结构安排。

2.第二章为近红外光谱检测技术的原理

介绍了近红外光谱的产生及光谱特点，本课题的研究思路；介绍了近红外光谱测定物质浓度的理论依据：

朗伯-比耳吸收定律；综述了多种近红外光谱数据预处理方法，本课题将采用多元散射（MSC）方法对光谱数据进行预处理；阐明了近红外光谱分析中用到的化学计量学方法，重点介绍了本课题用到的偏最小二乘（PLS）法及建模评价方法和评价参数；概括了近红外光谱无创血糖检测的步骤。

3.第三章为近红外光谱血糖检测的初步实验研究

通过对比纯水及葡萄糖在1300~2500nm谱区的吸收带，明确各自吸收峰的位置，分析水的吸收对建模精度的影响。

选取不同的光谱波段进行建模，比较各模型预测能力，对近红外光谱波段进行合理选择；分别对校正集中样品进行异常值剔除和多元散射（MSC）预处理，然后进行建模，并比较RMSEP和Corr值的变化，分析讨论两种方法优劣；对验证集中样品葡萄糖浓度的预测结果进行分析讨论。

2近红外光谱检测技术的原理

近红外（Near-infrared，NIR）谱区是指介于可见光区（VIS）和中红外区（MIR）之间的电磁波，是人们最早发现的非可见光区域。

根据美国试验和材料协会（ASTM）规定，近红外光谱的波长范围为700nm至2500nm（波数即12800cm-1~4000cm-1），其中近红外短波为780~1100nm，近红外长波为1100~2500nm。

近红外光谱主要是由含有C-H、N-H、O-H等键基团的化合物在中红外光谱区基频吸收的倍频、合频和差频吸收带相叠加而形成的。

该光谱吸收频率特征性强、频带宽和吸收较弱、受分子内外环境的影响小。

由于不同或同一基团，处在不同的化学环境中，对近红外光的吸收波长与强度会有明显差别。

因此近红外光谱中含有丰富的结构和组成信息，可反映分子中所含氢的振动信息，其信息量远大于其它谱区[21]，已经成功应用于石油、化工、医药、烟草等行业的分析中[22-23]。

众多相关研究结果表明，由于葡萄糖的分子结构中包含有多个均能够在近红外光谱区产生吸收的主要含氢官能团，如C-H、N-H、O-H基团，这些含氢基团在近红外谱区的样品光谱特性稳定。

并且体液和软组织在近红外区域相对透明，因此光对其穿透力强，而该波段的光对葡萄糖的穿透能力较弱，所以采用近红外光谱无创测量血糖浓度在原理上是可行的，并且多种模拟样品的实验结果都证明了该方法的有效性。

但是，近红外光谱无创测量人体血糖要达到稳定可靠的临床运用仍需对某些关键的基础问题进行深入的研究。

在近红外光谱无创血糖浓度检测技术中,对血糖进行定量分析的关键是建立光谱数据和血糖浓度之间的精确对应关系。

本课题将基于现代化学计量学理论，对光谱仪采集到的样品的近红外光谱和成分浓度进行关联建模。

其中近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型缺一不可，只有将三者进行有机的结合，才能够满足快速分析的技术要求。

选取一组具有代表性的、已知葡萄糖浓度的样品作为校准集，测量其近红外光谱，建立近红外光谱与葡萄糖浓度之间定量的数学校正模型，并利用该校正模型对预测集样品的近红外光谱进行计算，从而得到该样品的葡萄糖浓度，从而为实现近红外光谱对葡萄糖浓度的无创检测进行前期的实验研究。

在该方法中，正确建立校正模型是准确分析未知浓度的预测集样品的前提，对样品采集波段的选择直接影响校正模型建立的效果，对光谱数据进行相应的预处理和所采用的化学计量学方法是提高信噪比，获得好的分析结果的关键。

2．1朗伯-比尔定律

近红外光谱技术是根据样品对某一谱区光的吸收强度与吸光粒子（低能态的分子或原子）之间的关系，并结合样品中的吸光粒子数与样品粒子总数的关系来定量的。

测定样品物质浓度的理论依据是朗伯-比耳（Lambert-Beer）吸收定律[24]:

（2.1）

式（2.1）中A为被