劉立勛+楊凌峰+柯燕敏

摘要

糖尿病是危害人類健康的三大慢性非傳染性疾病之一，可以引起心腦血管疾病、賢功能不全、眼底病變甚至可能導(dǎo)致失明、血栓栓塞導(dǎo)致肢體壞死等并發(fā)癥。積極領(lǐng)防和治療糖尿病已成每個(gè)人刻不容緩的事。血糖濃度值是篩查和診斷早期糖尿病的重要指標(biāo)和敏感指標(biāo)，同時(shí)，掌握血糖濃度的變化也是了解糖尿病病情和評(píng)價(jià)治療效果的重要途徑。本文對(duì)現(xiàn)有的血糖檢測(cè)方式進(jìn)行了概述，重點(diǎn)介紹了最具有發(fā)展前景的無創(chuàng)血糖檢測(cè)方式以及其在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)其中的多種前沿技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

【關(guān)鍵詞】糖尿病 血糖檢測(cè)技術(shù) 無創(chuàng)

糖尿病是一種古老的疾病，公元前1500年的古埃及就有關(guān)于糖尿病的記載，那時(shí)患上糖尿病的人幾乎沒有活下來的希望。直到1921年，班廷（Banting）和貝斯特（Best）發(fā)現(xiàn)胰島素后，將其注射到一名即將死亡的糖尿病男孩湯普森（Thompson），24小時(shí)之內(nèi)，湯普森的血糖降至正常水平。胰島素被發(fā)現(xiàn)后，人們對(duì)糖尿病的研究不斷突破，糖尿病患者因此能夠像正常人一樣生活。從20世紀(jì)90年代開始，糖尿病治療藥物出現(xiàn)快速增長，各種胰島素類似物、各種新型口服和注射型降血糖藥不斷涌現(xiàn)。糖尿病的治療也隨之成為以不斷檢測(cè)血糖濃度為主。各種血糖檢測(cè)儀如雨后春筍，奔涌而出。1968年，湯姆·克萊曼斯（Tom Clemens）發(fā)明了第一臺(tái)血糖儀，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，血糖儀己進(jìn)化至第五代，血糖檢測(cè)技術(shù)從開始的光反射技術(shù)到現(xiàn)在的電化學(xué)法技術(shù)，檢測(cè)方式也從有創(chuàng)檢測(cè)、微創(chuàng)檢測(cè)逐步向無創(chuàng)檢測(cè)發(fā)展。

1有創(chuàng)檢測(cè)

有創(chuàng)檢測(cè)是直接從人體中抽取血液標(biāo)本進(jìn)行檢測(cè)，是血糖檢測(cè)的傳統(tǒng)方法。早期的有創(chuàng)檢測(cè)使用化學(xué)比色法檢測(cè)血糖濃度，這種方法帶來了技術(shù)革新，1987年，Lifecan（強(qiáng)生）公司上市了第一臺(tái)不需擦血的血糖儀One Touch，這種產(chǎn)品由于操作方便及結(jié)果準(zhǔn)確很快被市場(chǎng)接受，后因用血量大、測(cè)量速度慢而逐漸被淘汰?，F(xiàn)代多采用葡萄糖氧化酶（GOD）法和己糖激酶（HK）法。GOD法測(cè)定葡萄糖有較高的特異性、靈敏度和準(zhǔn)確性，試劑較穩(wěn)定、價(jià)格適中、操作較方便，是當(dāng)前全國臨床檢驗(yàn)中心推薦的常規(guī)方法。HK法測(cè)定結(jié)果非常穩(wěn)定，是葡萄糖測(cè)定的參考方法。并且劉陽等人研究發(fā)現(xiàn)，HK法比GOD法結(jié)果穩(wěn)定、特異性好、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)避免血清中過氧化物、色素和濁度的影響較為有效。但HK法試劑穩(wěn)定性較差、價(jià)格昂貴，因而限制了其在臨床上的普及，衛(wèi)生部推薦它可用于急診檢驗(yàn)。

目前，有創(chuàng)檢測(cè)是一種較為成熟的檢測(cè)方法，但這種檢測(cè)方式每測(cè)一個(gè)血糖值就需進(jìn)行一次血樣采集。它存在感染的危險(xiǎn)；患者本來就是身體欠佳的高危人群，頻繁取血會(huì)影響受試者的身體健康；由于抽血帶來的痛苦，也會(huì)給患者帶來情緒上的波動(dòng)，從而使此種檢測(cè)方式受到一定局限。

2微創(chuàng)檢測(cè)

相對(duì)于有創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)，微創(chuàng)檢測(cè)具有微感、微創(chuàng)等優(yōu)勢(shì)，因此成為血糖檢測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。微創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)主要包括透過皮膚植入型檢測(cè)技術(shù)、組織液透皮抽取型檢測(cè)技術(shù)。透過皮膚植入型檢測(cè)技術(shù)原理同體外檢測(cè)基本一致，特點(diǎn)是將微型葡萄糖傳感器植入體內(nèi)，通過檢測(cè)組織液中的葡萄糖濃度計(jì)算出血糖濃度。該檢測(cè)方式最大的瓶頸是傳感器的植入機(jī)體組織后會(huì)受到多種機(jī)制影響而失效，使用壽命一般只有3?5天，這也極大的限制了該方法的發(fā)展。組織液透皮抽取型檢測(cè)技術(shù)包括激光打孔法、微型針陣列法、反向離子電滲法、低頻超聲法、以及微透析法、暢流微灌注法等。它的主要特點(diǎn)是通過物理化學(xué)的方法破壞皮膚角質(zhì)層結(jié)構(gòu)，增大皮膚的通透性，繼而透皮抽取并檢測(cè)組織液中的葡萄糖濃度，實(shí)現(xiàn)血糖檢測(cè)。

微創(chuàng)血糖檢測(cè)儀，包括針刺式血糖檢測(cè)儀和激光采血式血糖儀，其產(chǎn)品主要是Amira公司的At Last血糖儀、TheraSense公司的FreeStyle血糖儀和Cell Robotics公司的Lasette。AtLast是第一個(gè)減痛式血糖監(jiān)測(cè)儀，需血量?jī)H2μL，選取痛覺神經(jīng)末梢稀疏處取血，減少采血的疼痛。該儀器有較好的準(zhǔn)確度和精密度，痛苦較小。但檢測(cè)時(shí)間長。而由TheraSense公司專利采用庫侖電量法所開發(fā)生產(chǎn)的Free Style（利舒坦）血糖儀使血糖儀技術(shù)質(zhì)量更進(jìn)一步。Free Style血糖儀是將一個(gè)小型傳感器粘附在手臂上，然后通過微針實(shí)現(xiàn)血糖檢測(cè)，使用周期為14天，測(cè)量準(zhǔn)確，采血幾乎無疼痛感覺，采血量極低（0.3μL），但價(jià)格昂貴，且屬于非連續(xù)監(jiān)測(cè)，無法提供預(yù)警也無法提供夜間讀數(shù)，對(duì)依賴CGM（連續(xù)血糖檢測(cè)）的I型患者作用有限。Cell Robotics公司制造的Lasette，使用2.94μm波長的YAG激光（YAG激光屬于固體激光的一種，它不同于紅寶石和藍(lán)寶石激光，它的發(fā)光晶體是石榴石。）取代傳統(tǒng)的針頭采血，因?yàn)闆]有針頭的接觸，可以減少交互感染的發(fā)生，比較不痛且沒有采血后留存的酸痛感，皮膚上的傷口較小、愈合較快。Lasette于1999年獲得美國FDA核準(zhǔn)上市，在美國需要醫(yī)師處方才能購買，五歲以上的病人都適用。Lasette重約0.5kg，適用充電式鋰電池，每次充電可采血35-50次。為適應(yīng)各種不同的皮膚狀況，它有16種不同激光強(qiáng)度的設(shè)定，但若操作技術(shù)不當(dāng)，則可能因激光強(qiáng)度太弱而采不到血，或因強(qiáng)度太強(qiáng)而至傷口太深，且Lasette價(jià)格相當(dāng)昂貴。

3無創(chuàng)檢測(cè)

雖然血糖檢測(cè)技術(shù)發(fā)展了多年趨向于成熟，但是許多傳統(tǒng)檢測(cè)方式存在的問題依然無法有效解決，如有創(chuàng)、微創(chuàng)檢測(cè)時(shí)的刺痛感，易感染等問題。而無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)為解決上述問題提供了行之有效的方案。因此，對(duì)無創(chuàng)血糖檢測(cè)的研究成為了大勢(shì)所趨。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)血糖檢測(cè)技術(shù)的深入研究，越來越多的無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)被開發(fā)出來?，F(xiàn)有的無創(chuàng)檢測(cè)方法主要分為兩大類，一類是以近紅外光譜法（NIR spectroscopy）為代表的光學(xué)法，其中包括旋光法（Polarimetry）、吸收光譜法（Absorption spectroscopy）、光聲光譜法（Photoacoustic spectroscopy）、光學(xué)相干成像方法（Optical coherence tomography，OCT）、拉曼光譜法（Raman spectroscopy）、熒光光譜法（Fluorescence）以及雙調(diào)制光學(xué)偏振法（Optical polarimetry）等。另一大類則是以能量代謝守恒法為代表的非光學(xué)法，生物阻抗譜法（bioimpedance spectroscopy）、生物電磁共振法（Bio-electromagnetic resonance）、反離子滲透法、微波檢測(cè)法、核磁共振法等方法都屬于非光學(xué)法類。endprint

上述方法中，近紅外光譜法與能量代謝守恒法因其在無創(chuàng)血糖檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的代表性本節(jié)將從方法介紹和算法描述兩個(gè)方面重點(diǎn)對(duì)其展開說明，并簡(jiǎn)單進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析。同時(shí)也簡(jiǎn)述了其他幾種檢測(cè)方法。

3.1近紅外光譜法

近紅外光譜法是利用一束或多束波長不同的近紅外光照射到人體的檢測(cè)部位，通過檢測(cè)透過人體光強(qiáng)度的變化，借助近紅外光譜分析技術(shù)基于透射率和反射率從光譜信息中提取相應(yīng)的血糖濃度來分析測(cè)量組織中的血糖值。具體地，在波長范圍為750nm至2500nm的近紅外光照射下，血液中含氫基團(tuán)（如C-H，O-H，N-H，S-H等）的有機(jī)物以及與其相結(jié)合的無機(jī)物產(chǎn)生基頻振動(dòng)倍頻和合頻，從而吸收部分光能，不同基團(tuán)產(chǎn)生的光譜的吸收峰的位置和強(qiáng)度有所不同。根據(jù)比爾一朗博（Beer-Lambert）定律可知，樣品的吸光度與樣品成分濃度具有相關(guān)性，同時(shí)光譜特征隨著樣品成份組成或者結(jié)構(gòu)的變化而變化。

樣品吸光度理論計(jì)算公式如下：

上式中，A為吸光度，IO與I分別為入射光強(qiáng)和投射光強(qiáng)，εi（λ）為第i種吸收物在波長為λ的光的吸光系數(shù)，Li為光在吸收物的光程，Ci則為相應(yīng)吸收物濃度。入射光在人體組織中會(huì)發(fā)生反射、折射、吸收、散射等現(xiàn)象，因此近紅外無創(chuàng)血糖檢測(cè)可以分為透射式測(cè)量和漫反射式測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向。通過對(duì)樣品近紅外光譜特征信息進(jìn)行分析，篩選出滿足血液中其他干擾物質(zhì)吸收強(qiáng)度盡量弱的條件下葡萄糖吸收強(qiáng)度最強(qiáng)的近紅外光波長區(qū)段或具體值，并將其作為照射光的波長選擇。而血糖在體測(cè)量中主要研究部位為前臂的皮膚，手指，耳垂，舌頭，腹部組織，唇腔粘膜，眼睛以及眼球結(jié)膜等。確定了照射波長和測(cè)試部位，之后應(yīng)用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立校正模型，然后對(duì)未知樣品進(jìn)行定性、定量分析。最后還要通過求參考值和用校正模型求出的待測(cè)值之間的誤差來檢驗(yàn)校正模型的準(zhǔn)確性。對(duì)準(zhǔn)確度評(píng)定一般是由預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方差和預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)來決定的。預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方差越小和相關(guān)性越髙，模型測(cè)量越準(zhǔn)確。

3.2能量代謝守恒法

血液中的葡萄糖在人體手指指端被氧化，從而產(chǎn)生能量、二氧化碳和水。通過手指局部的熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流和熱蒸發(fā)等途徑散失的能量占了很大部分。使用合適的裝置和傳感器檢測(cè)上述通過各種散失路徑所散失的能量以及血液中的氧氣水平就能計(jì)算出血液中葡萄糖的估計(jì)濃度，能量代謝守恒法數(shù)學(xué)模型為：

式中BG為血糖濃度，HR為心率，H為代謝產(chǎn)熱量，Bv為血流速度，SPO2為血氧飽和度，β為算法修正因子。

根據(jù)能量代謝守恒原理，代謝產(chǎn)生的熱量與血液中的血糖和含氧量成線性相關(guān)，血液中的含氧量又與血氧飽和度、心率及血流速度密切相關(guān)。熱量的散發(fā)可通過體溫、代謝率等生理參數(shù)反映出來。對(duì)傳感器測(cè)量的生理特征數(shù)據(jù)采用決策樹算法進(jìn)行分類，從而構(gòu)建決策樹模型，對(duì)新樣本的能量代謝參數(shù)進(jìn)行分類。用偏最小二乘法提取隱藏在自變量矩陣中的相關(guān)信息，依照相關(guān)性排列自變量參數(shù)。

能量代謝守恒法是由中南大學(xué)博士生導(dǎo)師陳真誠等人基于“代謝熱整合法”的基礎(chǔ)完善并優(yōu)化了該理論后提出的。2004年，日本OK Kyung Cho等人提出“代謝熱整合法”，他們認(rèn)為血液中的葡萄糖經(jīng)過氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)化得到大部分能量將轉(zhuǎn)換為熱量并以輻射、對(duì)流這兩種方式散失，而且當(dāng)人體局部代謝率增強(qiáng)時(shí)，代謝產(chǎn)熱量，血糖濃度和氧容量也跟著增多。因此也可以通過測(cè)量散熱量來估計(jì)人體代謝熱的方法來預(yù)測(cè)人體血糖濃度。2009年中南大學(xué)信息物理工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所成員王弟亞等根據(jù)能量代謝守恒法無創(chuàng)檢測(cè)血糖濃度的原理，設(shè)計(jì)出了一款無創(chuàng)血糖檢測(cè)傳感器集成器，其規(guī)格為60mm×30mm×85.5mm；2015年張楊，朱健銘等人設(shè)計(jì)了新型無創(chuàng)血糖檢測(cè)探頭，并提出了決策樹與偏最小二乘法方相結(jié)合的DE-PLS算法，其目的是提升基于能量代謝守恒方法無創(chuàng)檢測(cè)血糖的精度，最終證明該算法的精度髙于應(yīng)用于該領(lǐng)域的其他算法；2015年馬進(jìn)姿，朱健銘等基于雙波長紅

外透射衰減原理，測(cè)量血氧飽和度、血流速度和心率，通過溫度傳感器、濕度傳感器、轄射溫度傳感器檢測(cè)散熱量，并加入代謝率等參數(shù)實(shí)現(xiàn)回歸方程優(yōu)化。

能量代謝守恒法優(yōu)點(diǎn)明顯，可實(shí)現(xiàn)輕便無創(chuàng)，這得益于多傳感器集成化。但缺點(diǎn)同樣也十分明顯，比如測(cè)量參數(shù)多、傳感器集成難度高、多參數(shù)耦合十分困難等。

3.3生物阻抗法

當(dāng)穿過人體細(xì)胞膜的離子濃度發(fā)生變化時(shí)，細(xì)胞膜的電學(xué)特性會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，宏觀來說，就是生物阻抗的變化。這個(gè)阻抗會(huì)隨著每個(gè)心動(dòng)周期引起的血容量增減呈現(xiàn)一定規(guī)律變動(dòng)。當(dāng)血液中的血糖升高，會(huì)使得血漿電阻率增加、紅細(xì)胞內(nèi)鈉離子濃度降低而鉀離子濃度升高，進(jìn)而影響了紅細(xì)胞膜的導(dǎo)電性。因而，分析測(cè)量不同頻率下血液的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)血糖濃度的測(cè)量。

3.4旋光法

葡萄糖的旋光效應(yīng)，就是葡萄糖具有穩(wěn)定的偏光特性，通過測(cè)量反射光或者透射光的偏轉(zhuǎn)角即可預(yù)測(cè)人體血糖濃度。其理論依據(jù)如（3）式所示。

式中左邊部分是特征偏轉(zhuǎn)角，α是測(cè)得的偏轉(zhuǎn)角，C為葡萄糖濃度，L為所測(cè)量的光程長。

4總結(jié)與展望

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及對(duì)血糖檢測(cè)研究的深入，血糖檢測(cè)技術(shù)必將越來越成熟，特別是無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)，這是大勢(shì)所趨，更是社會(huì)所需。

雖然現(xiàn)在的無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)存在許多的問題有待進(jìn)一步的解決，但我相信它將使糖尿病檢測(cè)技術(shù)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，無論是對(duì)糖尿病的治療還是預(yù)防都具有重要的意義。

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