基于超声调制光信号技术无创检查葡萄糖浓度

陶曾++王敏

摘 要：糖尿病是一种多发常见病，不能根治却能很好控制。如果能够有精确、快速、无损的检测方法，需要时就能监测血糖浓度，这将为糖尿病的治疗带来革命性的进步。超声调制的光学检测方法是新兴的且很有发展前景的无损诊断技术，本文通过实验研究超声调制的光学信号与浑浊介质中葡萄糖浓度的关系，实验的初步结果表明，超声调制的光学信号可以灵敏地测量出浑浊介质中葡萄糖浓度的微小变化，且在吸收介质中比在散射介质中，超声调制光学信号对葡萄糖浓度的变化更灵敏。这为该方法应用在血糖的无创检测提供了可能性。

关键词：糖尿病 超声调制 光学成像 无创检测 葡萄糖浓度

中图分类号：R318 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（b）-0020-02

国内外的研究成果表明，通过经常监测患者血糖浓度，以此为根据来控制饮食及服用药物，可大大延缓糖尿病的病情并减少并发症的发病几率[1]。

对比于其他生物组织成像方法，超声调制光学成像技术有很多优点：首先，该技术对生物组织有良好的无损性，再者，超声调制光学成像技术的成本相对低很多。

现今，超声调制光学成像术的发展还有许多技术性的问题需要解决，该技术从模拟实验到实践临床还有一些距离。例如，由于生物组织是高散射介质，光的穿透深度依然较浅，这使得成像的深度和质量在一定程度上受到了限制，因此，如何提高信噪比、提高探测精准度及灵敏度是一个技术上的难题。一旦该技术走向实用化，将具有无损、方便、快捷、收费便宜等优点。

1 超声调制的光学成像技术原理

生物组织是一种高散射介质，光与生物组织的作用机理很复杂。成像空间分辨率差，远不能满足医学临床诊断的要求。于是想到将光学技术和声学技术结合起来，扬长避短，充分发挥二者的优势[2]。超声调制光学成像技术（Ultrasound-modulated optical tomography）利用超声波对组织内经过局域（聚焦）超声场的散射光进行调制（标记）；通过检测散射光中的调制成分，可推断超声区域组织的光学和超声（力学）性质；完成超声场对组织整体扫描并经过数据分析重建可得到生物组织光学和超声响应的成像图[3]。

2 实验方案

本文将通过实验研究超声调制的光学信号与浑浊介质中葡萄糖浓度的关系，为该方法在血糖无创检测中的应用提供必要的实验数据（见图1）。

架设好实验平台，调节光路准直，使各仪器等高共轴以确保光路准直；然后确定超声转化器处于光轴的正上方，始终保持与光轴垂直就可以将脉冲超声发生接收器浸入水中，然后确保实验在暗室环境中进行；打开各个开关，记录下各种配比好的溶液相应的数据，使用Origin软件，将所记录的数据在坐标轴上用图形表示出来。在实验数据处理中，用直流信号Id值代表了未被调制的背景光信号，而交流信号峰-峰值Ia值代表被超声调制的光信号，调制深度M=Ia/Id。调制深度是超声调制光学成像术的关键物理量[4～6]。

3 实验结果分析

以下四幅是四种溶液基底对应的信号变化趋势（见图2～图5）。

根据比尔定律，吸光度A与吸光物质的浓度c和吸收池光程长b的乘积成正比。A= εbc，其中比例系数ε称为摩尔吸收系数，ε值取决于入射光的波长和吸光物质的吸光特性，测量时的温度等因素[7]。

实验中，光源不变，温度不变，吸收池光程长不变，因此，平均值的改变与吸光物质的浓度及吸光物质的吸光特性有关，从平均值、调制深度及峰值来看，只有葡萄糖时，随着葡萄糖的加入，平均值基本不变，有杂质参入后，随着葡萄糖的加入，平均值有明显的下降。这应该是我们所加入的其他杂质的吸光特性引起的，脂肪乳汁和墨汁的吸光特性明显远大于葡萄糖。

4 结语

本文通过实验研究超声调制的光学信号与浑浊介质中葡萄糖浓度的关系，实验的初步结果表明，超声调制的光学信号可以灵敏地测量出浑浊介质中葡萄糖浓度的微小变化，且在吸收介质中比在散射介质中，超声调制光学信号对葡萄糖浓度的变化更灵敏。这为该方法应用在血糖的无创检测提供了可能性。

参考文献

[1] 沈耀春，王春，H.A.MacKenzie，等.一种新型的检测血糖含量的方法[J].南京大学学报，2000，36（5）：1.

[2] 朱莉莉.散射介质中光的超声调制原理及数值模拟和实验[D].福建师范大学，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，李晖，谢文明.超声调制的散射光在多层生物组织中的传播[J].中国激光，2009，36（10）：2593-2597.

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

摘 要：糖尿病是一种多发常见病，不能根治却能很好控制。如果能够有精确、快速、无损的检测方法，需要时就能监测血糖浓度，这将为糖尿病的治疗带来革命性的进步。超声调制的光学检测方法是新兴的且很有发展前景的无损诊断技术，本文通过实验研究超声调制的光学信号与浑浊介质中葡萄糖浓度的关系，实验的初步结果表明，超声调制的光学信号可以灵敏地测量出浑浊介质中葡萄糖浓度的微小变化，且在吸收介质中比在散射介质中，超声调制光学信号对葡萄糖浓度的变化更灵敏。这为该方法应用在血糖的无创检测提供了可能性。

关键词：糖尿病 超声调制 光学成像 无创检测 葡萄糖浓度

中图分类号：R318 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（b）-0020-02

国内外的研究成果表明，通过经常监测患者血糖浓度，以此为根据来控制饮食及服用药物，可大大延缓糖尿病的病情并减少并发症的发病几率[1]。

对比于其他生物组织成像方法，超声调制光学成像技术有很多优点：首先，该技术对生物组织有良好的无损性，再者，超声调制光学成像技术的成本相对低很多。

现今，超声调制光学成像术的发展还有许多技术性的问题需要解决，该技术从模拟实验到实践临床还有一些距离。例如，由于生物组织是高散射介质，光的穿透深度依然较浅，这使得成像的深度和质量在一定程度上受到了限制，因此，如何提高信噪比、提高探测精准度及灵敏度是一个技术上的难题。一旦该技术走向实用化，将具有无损、方便、快捷、收费便宜等优点。

1 超声调制的光学成像技术原理

生物组织是一种高散射介质，光与生物组织的作用机理很复杂。成像空间分辨率差，远不能满足医学临床诊断的要求。于是想到将光学技术和声学技术结合起来，扬长避短，充分发挥二者的优势[2]。超声调制光学成像技术（Ultrasound-modulated optical tomography）利用超声波对组织内经过局域（聚焦）超声场的散射光进行调制（标记）；通过检测散射光中的调制成分，可推断超声区域组织的光学和超声（力学）性质；完成超声场对组织整体扫描并经过数据分析重建可得到生物组织光学和超声响应的成像图[3]。

2 实验方案

本文将通过实验研究超声调制的光学信号与浑浊介质中葡萄糖浓度的关系，为该方法在血糖无创检测中的应用提供必要的实验数据（见图1）。

架设好实验平台，调节光路准直，使各仪器等高共轴以确保光路准直；然后确定超声转化器处于光轴的正上方，始终保持与光轴垂直就可以将脉冲超声发生接收器浸入水中，然后确保实验在暗室环境中进行；打开各个开关，记录下各种配比好的溶液相应的数据，使用Origin软件，将所记录的数据在坐标轴上用图形表示出来。在实验数据处理中，用直流信号Id值代表了未被调制的背景光信号，而交流信号峰-峰值Ia值代表被超声调制的光信号，调制深度M=Ia/Id。调制深度是超声调制光学成像术的关键物理量[4～6]。

3 实验结果分析

以下四幅是四种溶液基底对应的信号变化趋势（见图2～图5）。

根据比尔定律，吸光度A与吸光物质的浓度c和吸收池光程长b的乘积成正比。A= εbc，其中比例系数ε称为摩尔吸收系数，ε值取决于入射光的波长和吸光物质的吸光特性，测量时的温度等因素[7]。

实验中，光源不变，温度不变，吸收池光程长不变，因此，平均值的改变与吸光物质的浓度及吸光物质的吸光特性有关，从平均值、调制深度及峰值来看，只有葡萄糖时，随着葡萄糖的加入，平均值基本不变，有杂质参入后，随着葡萄糖的加入，平均值有明显的下降。这应该是我们所加入的其他杂质的吸光特性引起的，脂肪乳汁和墨汁的吸光特性明显远大于葡萄糖。

4 结语

本文通过实验研究超声调制的光学信号与浑浊介质中葡萄糖浓度的关系，实验的初步结果表明，超声调制的光学信号可以灵敏地测量出浑浊介质中葡萄糖浓度的微小变化，且在吸收介质中比在散射介质中，超声调制光学信号对葡萄糖浓度的变化更灵敏。这为该方法应用在血糖的无创检测提供了可能性。

参考文献

[1] 沈耀春，王春，H.A.MacKenzie，等.一种新型的检测血糖含量的方法[J].南京大学学报，2000，36（5）：1.

[2] 朱莉莉.散射介质中光的超声调制原理及数值模拟和实验[D].福建师范大学，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，李晖，谢文明.超声调制的散射光在多层生物组织中的传播[J].中国激光，2009，36（10）：2593-2597.

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

摘 要：糖尿病是一种多发常见病，不能根治却能很好控制。如果能够有精确、快速、无损的检测方法，需要时就能监测血糖浓度，这将为糖尿病的治疗带来革命性的进步。超声调制的光学检测方法是新兴的且很有发展前景的无损诊断技术，本文通过实验研究超声调制的光学信号与浑浊介质中葡萄糖浓度的关系，实验的初步结果表明，超声调制的光学信号可以灵敏地测量出浑浊介质中葡萄糖浓度的微小变化，且在吸收介质中比在散射介质中，超声调制光学信号对葡萄糖浓度的变化更灵敏。这为该方法应用在血糖的无创检测提供了可能性。

关键词：糖尿病 超声调制 光学成像 无创检测 葡萄糖浓度

中图分类号：R318 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（b）-0020-02

国内外的研究成果表明，通过经常监测患者血糖浓度，以此为根据来控制饮食及服用药物，可大大延缓糖尿病的病情并减少并发症的发病几率[1]。

对比于其他生物组织成像方法，超声调制光学成像技术有很多优点：首先，该技术对生物组织有良好的无损性，再者，超声调制光学成像技术的成本相对低很多。

现今，超声调制光学成像术的发展还有许多技术性的问题需要解决，该技术从模拟实验到实践临床还有一些距离。例如，由于生物组织是高散射介质，光的穿透深度依然较浅，这使得成像的深度和质量在一定程度上受到了限制，因此，如何提高信噪比、提高探测精准度及灵敏度是一个技术上的难题。一旦该技术走向实用化，将具有无损、方便、快捷、收费便宜等优点。

1 超声调制的光学成像技术原理

生物组织是一种高散射介质，光与生物组织的作用机理很复杂。成像空间分辨率差，远不能满足医学临床诊断的要求。于是想到将光学技术和声学技术结合起来，扬长避短，充分发挥二者的优势[2]。超声调制光学成像技术（Ultrasound-modulated optical tomography）利用超声波对组织内经过局域（聚焦）超声场的散射光进行调制（标记）；通过检测散射光中的调制成分，可推断超声区域组织的光学和超声（力学）性质；完成超声场对组织整体扫描并经过数据分析重建可得到生物组织光学和超声响应的成像图[3]。

2 实验方案

本文将通过实验研究超声调制的光学信号与浑浊介质中葡萄糖浓度的关系，为该方法在血糖无创检测中的应用提供必要的实验数据（见图1）。

架设好实验平台，调节光路准直，使各仪器等高共轴以确保光路准直；然后确定超声转化器处于光轴的正上方，始终保持与光轴垂直就可以将脉冲超声发生接收器浸入水中，然后确保实验在暗室环境中进行；打开各个开关，记录下各种配比好的溶液相应的数据，使用Origin软件，将所记录的数据在坐标轴上用图形表示出来。在实验数据处理中，用直流信号Id值代表了未被调制的背景光信号，而交流信号峰-峰值Ia值代表被超声调制的光信号，调制深度M=Ia/Id。调制深度是超声调制光学成像术的关键物理量[4～6]。

3 实验结果分析

以下四幅是四种溶液基底对应的信号变化趋势（见图2～图5）。

根据比尔定律，吸光度A与吸光物质的浓度c和吸收池光程长b的乘积成正比。A= εbc，其中比例系数ε称为摩尔吸收系数，ε值取决于入射光的波长和吸光物质的吸光特性，测量时的温度等因素[7]。

实验中，光源不变，温度不变，吸收池光程长不变，因此，平均值的改变与吸光物质的浓度及吸光物质的吸光特性有关，从平均值、调制深度及峰值来看，只有葡萄糖时，随着葡萄糖的加入，平均值基本不变，有杂质参入后，随着葡萄糖的加入，平均值有明显的下降。这应该是我们所加入的其他杂质的吸光特性引起的，脂肪乳汁和墨汁的吸光特性明显远大于葡萄糖。

4 结语

本文通过实验研究超声调制的光学信号与浑浊介质中葡萄糖浓度的关系，实验的初步结果表明，超声调制的光学信号可以灵敏地测量出浑浊介质中葡萄糖浓度的微小变化，且在吸收介质中比在散射介质中，超声调制光学信号对葡萄糖浓度的变化更灵敏。这为该方法应用在血糖的无创检测提供了可能性。

参考文献

[1] 沈耀春，王春，H.A.MacKenzie，等.一种新型的检测血糖含量的方法[J].南京大学学报，2000，36（5）：1.

[2] 朱莉莉.散射介质中光的超声调制原理及数值模拟和实验[D].福建师范大学，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，李晖，谢文明.超声调制的散射光在多层生物组织中的传播[J].中国激光，2009，36（10）：2593-2597.

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