陶曾++王敏

摘 要：糖尿病是一種多發(fā)常見病，不能根治卻能很好控制。如果能夠有精確、快速、無損的檢測方法，需要時就能監(jiān)測血糖濃度，這將為糖尿病的治療帶來革命性的進步。超聲調(diào)制的光學檢測方法是新興的且很有發(fā)展前景的無損診斷技術(shù)，本文通過實驗研究超聲調(diào)制的光學信號與渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的關(guān)系，實驗的初步結(jié)果表明，超聲調(diào)制的光學信號可以靈敏地測量出渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的微小變化，且在吸收介質(zhì)中比在散射介質(zhì)中，超聲調(diào)制光學信號對葡萄糖濃度的變化更靈敏。這為該方法應用在血糖的無創(chuàng)檢測提供了可能性。

關(guān)鍵詞：糖尿病 超聲調(diào)制 光學成像 無創(chuàng)檢測 葡萄糖濃度

中圖分類號：R318 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0020-02

國內(nèi)外的研究成果表明，通過經(jīng)常監(jiān)測患者血糖濃度，以此為根據(jù)來控制飲食及服用藥物，可大大延緩糖尿病的病情并減少并發(fā)癥的發(fā)病幾率[1]。

對比于其他生物組織成像方法，超聲調(diào)制光學成像技術(shù)有很多優(yōu)點：首先，該技術(shù)對生物組織有良好的無損性，再者，超聲調(diào)制光學成像技術(shù)的成本相對低很多。

現(xiàn)今，超聲調(diào)制光學成像術(shù)的發(fā)展還有許多技術(shù)性的問題需要解決，該技術(shù)從模擬實驗到實踐臨床還有一些距離。例如，由于生物組織是高散射介質(zhì)，光的穿透深度依然較淺，這使得成像的深度和質(zhì)量在一定程度上受到了限制，因此，如何提高信噪比、提高探測精準度及靈敏度是一個技術(shù)上的難題。一旦該技術(shù)走向?qū)嵱没?，將具有無損、方便、快捷、收費便宜等優(yōu)點。

1 超聲調(diào)制的光學成像技術(shù)原理

生物組織是一種高散射介質(zhì)，光與生物組織的作用機理很復雜。成像空間分辨率差，遠不能滿足醫(yī)學臨床診斷的要求。于是想到將光學技術(shù)和聲學技術(shù)結(jié)合起來，揚長避短，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢[2]。超聲調(diào)制光學成像技術(shù)（Ultrasound-modulated optical tomography）利用超聲波對組織內(nèi)經(jīng)過局域（聚焦）超聲場的散射光進行調(diào)制（標記）；通過檢測散射光中的調(diào)制成分，可推斷超聲區(qū)域組織的光學和超聲（力學）性質(zhì)；完成超聲場對組織整體掃描并經(jīng)過數(shù)據(jù)分析重建可得到生物組織光學和超聲響應的成像圖[3]。

2 實驗方案

本文將通過實驗研究超聲調(diào)制的光學信號與渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的關(guān)系，為該方法在血糖無創(chuàng)檢測中的應用提供必要的實驗數(shù)據(jù)（見圖1）。

架設好實驗平臺，調(diào)節(jié)光路準直，使各儀器等高共軸以確保光路準直；然后確定超聲轉(zhuǎn)化器處于光軸的正上方，始終保持與光軸垂直就可以將脈沖超聲發(fā)生接收器浸入水中，然后確保實驗在暗室環(huán)境中進行；打開各個開關(guān)，記錄下各種配比好的溶液相應的數(shù)據(jù)，使用Origin軟件，將所記錄的數(shù)據(jù)在坐標軸上用圖形表示出來。在實驗數(shù)據(jù)處理中，用直流信號Id值代表了未被調(diào)制的背景光信號，而交流信號峰-峰值Ia值代表被超聲調(diào)制的光信號，調(diào)制深度M=Ia/Id。調(diào)制深度是超聲調(diào)制光學成像術(shù)的關(guān)鍵物理量[4～6]。

3 實驗結(jié)果分析

以下四幅是四種溶液基底對應的信號變化趨勢（見圖2～圖5）。

根據(jù)比爾定律，吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c和吸收池光程長b的乘積成正比。A= εbc，其中比例系數(shù)ε稱為摩爾吸收系數(shù)，ε值取決于入射光的波長和吸光物質(zhì)的吸光特性，測量時的溫度等因素[7]。

實驗中，光源不變，溫度不變，吸收池光程長不變，因此，平均值的改變與吸光物質(zhì)的濃度及吸光物質(zhì)的吸光特性有關(guān)，從平均值、調(diào)制深度及峰值來看，只有葡萄糖時，隨著葡萄糖的加入，平均值基本不變，有雜質(zhì)參入后，隨著葡萄糖的加入，平均值有明顯的下降。這應該是我們所加入的其他雜質(zhì)的吸光特性引起的，脂肪乳汁和墨汁的吸光特性明顯遠大于葡萄糖。

4 結(jié)語

本文通過實驗研究超聲調(diào)制的光學信號與渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的關(guān)系，實驗的初步結(jié)果表明，超聲調(diào)制的光學信號可以靈敏地測量出渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的微小變化，且在吸收介質(zhì)中比在散射介質(zhì)中，超聲調(diào)制光學信號對葡萄糖濃度的變化更靈敏。這為該方法應用在血糖的無創(chuàng)檢測提供了可能性。

參考文獻

[1] 沈耀春，王春，H.A.MacKenzie，等.一種新型的檢測血糖含量的方法[J].南京大學學報，2000，36（5）：1.

[2] 朱莉莉.散射介質(zhì)中光的超聲調(diào)制原理及數(shù)值模擬和實驗[D].福建師范大學，2005.

[3] Lili Zhu， Hui Li， Jiali Cai， Cuncheng Weng and Shusen Xie.Propagation of the diffused light modulated by a focused ultrasound in scattering media ， Photonics and Imaging in Biology and Medicine[J].Proc.SPIE，2005，6047：11.

[4] Lili Zhu，HuiLi，Shaofeng Yang，Liuhui Chen.Propagation of ultrasound modulation scattering signal in multi-layer scattering media：simulations and experiments[J].Photonics Asia，2007.

[5] 朱莉莉，李暉，謝文明.超聲調(diào)制的散射光在多層生物組織中的傳播[J].中國激光，2009，36（10）：2593-2597.

[6] http：//zhidao.baidu.com/question/39258326.html.endprint

摘 要：糖尿病是一種多發(fā)常見病，不能根治卻能很好控制。如果能夠有精確、快速、無損的檢測方法，需要時就能監(jiān)測血糖濃度，這將為糖尿病的治療帶來革命性的進步。超聲調(diào)制的光學檢測方法是新興的且很有發(fā)展前景的無損診斷技術(shù)，本文通過實驗研究超聲調(diào)制的光學信號與渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的關(guān)系，實驗的初步結(jié)果表明，超聲調(diào)制的光學信號可以靈敏地測量出渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的微小變化，且在吸收介質(zhì)中比在散射介質(zhì)中，超聲調(diào)制光學信號對葡萄糖濃度的變化更靈敏。這為該方法應用在血糖的無創(chuàng)檢測提供了可能性。

關(guān)鍵詞：糖尿病 超聲調(diào)制 光學成像 無創(chuàng)檢測 葡萄糖濃度

中圖分類號：R318 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0020-02

國內(nèi)外的研究成果表明，通過經(jīng)常監(jiān)測患者血糖濃度，以此為根據(jù)來控制飲食及服用藥物，可大大延緩糖尿病的病情并減少并發(fā)癥的發(fā)病幾率[1]。

對比于其他生物組織成像方法，超聲調(diào)制光學成像技術(shù)有很多優(yōu)點：首先，該技術(shù)對生物組織有良好的無損性，再者，超聲調(diào)制光學成像技術(shù)的成本相對低很多。

現(xiàn)今，超聲調(diào)制光學成像術(shù)的發(fā)展還有許多技術(shù)性的問題需要解決，該技術(shù)從模擬實驗到實踐臨床還有一些距離。例如，由于生物組織是高散射介質(zhì)，光的穿透深度依然較淺，這使得成像的深度和質(zhì)量在一定程度上受到了限制，因此，如何提高信噪比、提高探測精準度及靈敏度是一個技術(shù)上的難題。一旦該技術(shù)走向?qū)嵱没?，將具有無損、方便、快捷、收費便宜等優(yōu)點。

1 超聲調(diào)制的光學成像技術(shù)原理

生物組織是一種高散射介質(zhì)，光與生物組織的作用機理很復雜。成像空間分辨率差，遠不能滿足醫(yī)學臨床診斷的要求。于是想到將光學技術(shù)和聲學技術(shù)結(jié)合起來，揚長避短，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢[2]。超聲調(diào)制光學成像技術(shù)（Ultrasound-modulated optical tomography）利用超聲波對組織內(nèi)經(jīng)過局域（聚焦）超聲場的散射光進行調(diào)制（標記）；通過檢測散射光中的調(diào)制成分，可推斷超聲區(qū)域組織的光學和超聲（力學）性質(zhì)；完成超聲場對組織整體掃描并經(jīng)過數(shù)據(jù)分析重建可得到生物組織光學和超聲響應的成像圖[3]。

2 實驗方案

本文將通過實驗研究超聲調(diào)制的光學信號與渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的關(guān)系，為該方法在血糖無創(chuàng)檢測中的應用提供必要的實驗數(shù)據(jù)（見圖1）。

架設好實驗平臺，調(diào)節(jié)光路準直，使各儀器等高共軸以確保光路準直；然后確定超聲轉(zhuǎn)化器處于光軸的正上方，始終保持與光軸垂直就可以將脈沖超聲發(fā)生接收器浸入水中，然后確保實驗在暗室環(huán)境中進行；打開各個開關(guān)，記錄下各種配比好的溶液相應的數(shù)據(jù)，使用Origin軟件，將所記錄的數(shù)據(jù)在坐標軸上用圖形表示出來。在實驗數(shù)據(jù)處理中，用直流信號Id值代表了未被調(diào)制的背景光信號，而交流信號峰-峰值Ia值代表被超聲調(diào)制的光信號，調(diào)制深度M=Ia/Id。調(diào)制深度是超聲調(diào)制光學成像術(shù)的關(guān)鍵物理量[4～6]。

3 實驗結(jié)果分析

以下四幅是四種溶液基底對應的信號變化趨勢（見圖2～圖5）。

根據(jù)比爾定律，吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c和吸收池光程長b的乘積成正比。A= εbc，其中比例系數(shù)ε稱為摩爾吸收系數(shù)，ε值取決于入射光的波長和吸光物質(zhì)的吸光特性，測量時的溫度等因素[7]。

實驗中，光源不變，溫度不變，吸收池光程長不變，因此，平均值的改變與吸光物質(zhì)的濃度及吸光物質(zhì)的吸光特性有關(guān)，從平均值、調(diào)制深度及峰值來看，只有葡萄糖時，隨著葡萄糖的加入，平均值基本不變，有雜質(zhì)參入后，隨著葡萄糖的加入，平均值有明顯的下降。這應該是我們所加入的其他雜質(zhì)的吸光特性引起的，脂肪乳汁和墨汁的吸光特性明顯遠大于葡萄糖。

4 結(jié)語

本文通過實驗研究超聲調(diào)制的光學信號與渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的關(guān)系，實驗的初步結(jié)果表明，超聲調(diào)制的光學信號可以靈敏地測量出渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的微小變化，且在吸收介質(zhì)中比在散射介質(zhì)中，超聲調(diào)制光學信號對葡萄糖濃度的變化更靈敏。這為該方法應用在血糖的無創(chuàng)檢測提供了可能性。

參考文獻

[1] 沈耀春，王春，H.A.MacKenzie，等.一種新型的檢測血糖含量的方法[J].南京大學學報，2000，36（5）：1.

[2] 朱莉莉.散射介質(zhì)中光的超聲調(diào)制原理及數(shù)值模擬和實驗[D].福建師范大學，2005.

[3] Lili Zhu， Hui Li， Jiali Cai， Cuncheng Weng and Shusen Xie.Propagation of the diffused light modulated by a focused ultrasound in scattering media ， Photonics and Imaging in Biology and Medicine[J].Proc.SPIE，2005，6047：11.

[4] Lili Zhu，HuiLi，Shaofeng Yang，Liuhui Chen.Propagation of ultrasound modulation scattering signal in multi-layer scattering media：simulations and experiments[J].Photonics Asia，2007.

[5] 朱莉莉，李暉，謝文明.超聲調(diào)制的散射光在多層生物組織中的傳播[J].中國激光，2009，36（10）：2593-2597.

[6] http：//zhidao.baidu.com/question/39258326.html.endprint

摘 要：糖尿病是一種多發(fā)常見病，不能根治卻能很好控制。如果能夠有精確、快速、無損的檢測方法，需要時就能監(jiān)測血糖濃度，這將為糖尿病的治療帶來革命性的進步。超聲調(diào)制的光學檢測方法是新興的且很有發(fā)展前景的無損診斷技術(shù)，本文通過實驗研究超聲調(diào)制的光學信號與渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的關(guān)系，實驗的初步結(jié)果表明，超聲調(diào)制的光學信號可以靈敏地測量出渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的微小變化，且在吸收介質(zhì)中比在散射介質(zhì)中，超聲調(diào)制光學信號對葡萄糖濃度的變化更靈敏。這為該方法應用在血糖的無創(chuàng)檢測提供了可能性。

關(guān)鍵詞：糖尿病 超聲調(diào)制 光學成像 無創(chuàng)檢測 葡萄糖濃度

中圖分類號：R318 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0020-02

國內(nèi)外的研究成果表明，通過經(jīng)常監(jiān)測患者血糖濃度，以此為根據(jù)來控制飲食及服用藥物，可大大延緩糖尿病的病情并減少并發(fā)癥的發(fā)病幾率[1]。

對比于其他生物組織成像方法，超聲調(diào)制光學成像技術(shù)有很多優(yōu)點：首先，該技術(shù)對生物組織有良好的無損性，再者，超聲調(diào)制光學成像技術(shù)的成本相對低很多。

現(xiàn)今，超聲調(diào)制光學成像術(shù)的發(fā)展還有許多技術(shù)性的問題需要解決，該技術(shù)從模擬實驗到實踐臨床還有一些距離。例如，由于生物組織是高散射介質(zhì)，光的穿透深度依然較淺，這使得成像的深度和質(zhì)量在一定程度上受到了限制，因此，如何提高信噪比、提高探測精準度及靈敏度是一個技術(shù)上的難題。一旦該技術(shù)走向?qū)嵱没?，將具有無損、方便、快捷、收費便宜等優(yōu)點。

1 超聲調(diào)制的光學成像技術(shù)原理

生物組織是一種高散射介質(zhì)，光與生物組織的作用機理很復雜。成像空間分辨率差，遠不能滿足醫(yī)學臨床診斷的要求。于是想到將光學技術(shù)和聲學技術(shù)結(jié)合起來，揚長避短，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢[2]。超聲調(diào)制光學成像技術(shù)（Ultrasound-modulated optical tomography）利用超聲波對組織內(nèi)經(jīng)過局域（聚焦）超聲場的散射光進行調(diào)制（標記）；通過檢測散射光中的調(diào)制成分，可推斷超聲區(qū)域組織的光學和超聲（力學）性質(zhì)；完成超聲場對組織整體掃描并經(jīng)過數(shù)據(jù)分析重建可得到生物組織光學和超聲響應的成像圖[3]。

2 實驗方案

本文將通過實驗研究超聲調(diào)制的光學信號與渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的關(guān)系，為該方法在血糖無創(chuàng)檢測中的應用提供必要的實驗數(shù)據(jù)（見圖1）。

架設好實驗平臺，調(diào)節(jié)光路準直，使各儀器等高共軸以確保光路準直；然后確定超聲轉(zhuǎn)化器處于光軸的正上方，始終保持與光軸垂直就可以將脈沖超聲發(fā)生接收器浸入水中，然后確保實驗在暗室環(huán)境中進行；打開各個開關(guān)，記錄下各種配比好的溶液相應的數(shù)據(jù)，使用Origin軟件，將所記錄的數(shù)據(jù)在坐標軸上用圖形表示出來。在實驗數(shù)據(jù)處理中，用直流信號Id值代表了未被調(diào)制的背景光信號，而交流信號峰-峰值Ia值代表被超聲調(diào)制的光信號，調(diào)制深度M=Ia/Id。調(diào)制深度是超聲調(diào)制光學成像術(shù)的關(guān)鍵物理量[4～6]。

3 實驗結(jié)果分析

以下四幅是四種溶液基底對應的信號變化趨勢（見圖2～圖5）。

根據(jù)比爾定律，吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c和吸收池光程長b的乘積成正比。A= εbc，其中比例系數(shù)ε稱為摩爾吸收系數(shù)，ε值取決于入射光的波長和吸光物質(zhì)的吸光特性，測量時的溫度等因素[7]。

實驗中，光源不變，溫度不變，吸收池光程長不變，因此，平均值的改變與吸光物質(zhì)的濃度及吸光物質(zhì)的吸光特性有關(guān)，從平均值、調(diào)制深度及峰值來看，只有葡萄糖時，隨著葡萄糖的加入，平均值基本不變，有雜質(zhì)參入后，隨著葡萄糖的加入，平均值有明顯的下降。這應該是我們所加入的其他雜質(zhì)的吸光特性引起的，脂肪乳汁和墨汁的吸光特性明顯遠大于葡萄糖。

4 結(jié)語

本文通過實驗研究超聲調(diào)制的光學信號與渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的關(guān)系，實驗的初步結(jié)果表明，超聲調(diào)制的光學信號可以靈敏地測量出渾濁介質(zhì)中葡萄糖濃度的微小變化，且在吸收介質(zhì)中比在散射介質(zhì)中，超聲調(diào)制光學信號對葡萄糖濃度的變化更靈敏。這為該方法應用在血糖的無創(chuàng)檢測提供了可能性。

參考文獻

[1] 沈耀春，王春，H.A.MacKenzie，等.一種新型的檢測血糖含量的方法[J].南京大學學報，2000，36（5）：1.

[2] 朱莉莉.散射介質(zhì)中光的超聲調(diào)制原理及數(shù)值模擬和實驗[D].福建師范大學，2005.

[3] Lili Zhu， Hui Li， Jiali Cai， Cuncheng Weng and Shusen Xie.Propagation of the diffused light modulated by a focused ultrasound in scattering media ， Photonics and Imaging in Biology and Medicine[J].Proc.SPIE，2005，6047：11.

[4] Lili Zhu，HuiLi，Shaofeng Yang，Liuhui Chen.Propagation of ultrasound modulation scattering signal in multi-layer scattering media：simulations and experiments[J].Photonics Asia，2007.

[5] 朱莉莉，李暉，謝文明.超聲調(diào)制的散射光在多層生物組織中的傳播[J].中國激光，2009，36（10）：2593-2597.

[6] http：//zhidao.baidu.com/question/39258326.html.endprint