基于光电容积脉搏波的无创血糖测量研究

刘光达，蔡 靖，孙茂林，宋千里，刘梦婉，王庆吉

(吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130061)

0 引言

糖尿病是危害人类健康的四大疾病之一。据世界卫生组织估计，到2025年全世界将有3亿糖尿病患者。糖尿病不仅给患者及其家庭带来了痛苦，而且逐年增长的糖尿病人群也给国家和社会带来了沉重的负担。因此，准确地测量血糖以预防糖尿病具有十分积极的意义［1］。目前临床使用的血糖检测方法需要在手指刺血或静脉取血，然后通过电化学法、比色法或光学的色度带法测量血糖浓度［2－13］。这种有创检测方法不仅浪费时间，难以实现连续测量，而且使用过的试纸容易引起环境污染，频繁的检测增加了感染的风险。针对以上问题，笔者提出一种基于光电容积脉搏波的无创血糖测量方法，能实现快速连续地检测人的血糖值。

1 光电容积脉搏波测血糖原理

图1 近红外光透射手指示意图Fig.1 Near－infrared light transmission fingers schematic diagram

光电容积脉搏波是借助光电手段，在活体内检测血液容积变化的一种无创检测方法。测量时用固定波长的近红外光透射手指，经手指中皮肤、动脉、静脉和肌肉组织以及骨骼等的吸收后得到透射光(见图1)。

其中皮肤、肌肉、组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，光吸收量也最大，而检测到的光强度最小;在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大，使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化。将该光强度变化信号转换成电信号，便获得光电容积脉搏波。由此可见，容积脉搏波中包含有血糖对近红外光吸收的信息。而血糖对近红外光吸收的强弱又与血糖浓度有关。

图2 光电接收管接收信号示意图Fig.2 Photoelectric receiving tube schematic reception

图2为透射过手指，光电接收管接收到的光电容积脉搏波信号，其中包括两个分量。

1)直流分量(DC:Direct Current):由静脉血以及肌肉、骨骼等组织的吸收光组成。

2)脉动变化的交流分量(AC:Alternating Current):它同步于脉率，主要反映动脉血中血糖的吸收情况。

根据朗伯－比尔定律(Lambert－Beer)，当心脏舒张时，假设波长为λ，光强为I0的单色光垂直照射手指，通过手指的透射光强度为

其中ε0，c0，l0分别表示组织内的非脉动成分及静脉血的总的吸光系数、吸光物质浓度和光程长度;ε1，c1，l分别表示血糖的吸光系数、血糖浓度和动脉血液光程;ε2，c2分别表示血液中对该单色光同样有吸收作用的参考物质的浓度以及该参考物质的吸光系数。

血糖对近红外光有两个吸收带，分别是700～1 330 nm，1 540～1 820 nm。为了避开水在1 450～1 920 nm的吸收带，选用805 nm和940 nm的近红外光，其中805 nm为血糖敏感波长，940 nm为参考波长。这里选择的参考物质为水，选择这两个波长的另一个主要原因是水对805 nm和940 nm近红外光的吸光系数相同，即代表805 nm，λ2代表940 nm)。

当805 nm光源照射手指时，由式(1)可得

当心脏收缩时，动脉血液光路长由l增加了Δ l，相应的透射光强由IDC变为了IDC－IAC。

其中IDC为心脏舒张时透射光的强度;Δ l是心脏收缩时动脉血液光路变化量;IAC为心脏由收缩变为舒张时透射光强的变化量。

式(3)减式(2)得

考虑透射光中交流成分占直流量的百分比为远小于1的数值，则

式(4)可变形为

当940 nm光源照射手指时，同理可得

式(5)减式(6)得

由式(7)得血糖浓度

2 测量模型建立

最小二乘法是一种数学优化技术，它通过使误差的平方和最小化寻找数据的最佳函数匹配。令参数

则式(8)可写为

图3为采集到的脉搏波波形，利用得到的脉搏波数据结合式(9)可计算得到R。

图3 脉搏波Fig.3 Pulse wave

图4 C－R拟合曲线Fig.4 Fitted curve of C＆R

对一名22岁健康男性孙某测试，得到多组脉搏波数据，计算对应的R值，记为Ri。同时用悦准Ⅱ型血糖仪(误差＜0.5 mmol/L)测量被测者血糖值C，记为Ci。在Matlab中用最小二乘法拟合出Ci与Ri的函数曲线(见图4)。

由图得到C－R的函数关系

拟合系数:P1=0.000 119 8，P2=－0.014 38，P3=5.418。

用式(11)代替式(10)，即可得到血糖的最终计算关系式。

3 系统测试与分析

3.1 测试过程

为了对光电容积脉搏血糖测量理论进行对比验证，用光电容积脉搏血糖测量系统分别对单人和多人进行检测。以悦准Ⅱ型血糖仪测得的血糖值作为标准参考值。

单人检测:被测者仍然为孙某。在从空腹到饭后3～5 h时间段内，每隔30 min用脉搏血糖测量系统对被测者测量一次，得到一个血糖计算值，并同时用血糖仪测量对应的血糖真实值。测试在室内进行，室内温度为18℃～21℃，湿度为40%。测试前与测试过程中被测者没有剧烈运动并保持心情平静。表1是测量的9组数据。由表1的数据做成的折线图如图5所示。

多人检测:被测者为9名21～23岁健康男性，在测试时分别处在空腹、饭后1～3 h等不同生理状态，用光电容积脉搏波测量系统分别测量每个被测者，得到血糖计算值，并同时用血糖仪测量，测试条件与方法均相同。表2是测量的9组数据。由表2的数据做成的折线图如图6所示。

表1 结果分析(单人)Tab.1 Analysis of the results(single)

表2 结果分析(多人)Tab.2 Analysis of the results(multiple)

图5 无创与标准血糖值对比(单人)Fig.5 Noninvasive blood glucose values compared with the standard(single)

图6 无创与标准血糖值对比(多人)Fig.6 Noninvasive blood glucose values compared with the standard(multiple)

3.2 结果分析

对于单人检测，计算血糖值与实际血糖值的结果误差范围是0.06～0.49 mmol/L，大部分结果误差不超过0.4 mml/L。最后计算两者相关系数0.977，符合国家标准。

对于多人检测，计算血糖值与实际血糖值得结果误差范围是0.2～3.87 mmol/L，分布较为分散，由图6也可以看出，两者没有明显关系。

由以上分析可得:该系统使用前需要用单人建模，并只适用于对该建模者进行血糖测量，对于其他人的测量结果不具有参考价值。

4 结语

该研究根据光电容积脉搏波的相关理论，并利用朗伯·比尔定律设计出了一套无创血糖测量系统。该系统使用前需要用单人的血糖值与R值建立一定的模型并拟合，只适用于对该建模者进行血糖测量。

在今后的研究中，应增加测试样本数量，进一步完善理论，改进拟合算法，使测量结果更符合实际。

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