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第40卷，第11期2020年11月光谱学与光谱分析Spectroscopy and Spectral AnalysisVol.40,No.11,pp3438-3442November,2020近红外无创血糖检测系统信号提取能力的验证孔丹丹，韩同帅，葛晴，陈文亮，刘蓉，李晨曦，徐可欣天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072摘要近红外无创血糖检测技术的精度目前仍达不到临床应用的需求，主要的原因为：一方面人体血糖信号微弱，并且血液中一些组分的近红外吸收谱带与葡萄糖的吸收谱带存在重叠，为了从光谱中解析葡萄糖浓度信息，通常会采用如偏最小二乘(PLS)等多变量回归的方法#另一方面，在实际测量中，必然会存在光源漂移、测量条件变化等背景干扰，这些背景干扰对测量造成的影响往往大于血糖浓度变化引起的光谱响应，因此在建立血糖预测模型之前必须对这些背景干扰进行有效地控制与消除，否则使用多变量回归方法所建立的血糖预测模型中很可能存在伪相关#因此为了更好地实现无创血糖检测，测量系统本身必须具备很高的血糖检测能力，并且在控制测量条件尽可能稳定的前提下，采用合适的数据处理方法去除绝大部分的背景干扰#为此，对自行研发的无创血糖检测系统的血糖检测能力进行了评估，证明了本系统能够达到较高的测量精度；对三名健康的受试者开展了口服糖耐量试验(OGTT)以及口服水耐量试验(OWTT),对比了本系统在两个不同光源-探测器距离下测得的OGTT与OWTT的光谱数据,发现在两个光源-探测器距离下OGTT吸光度变化量的方差值都大于OWTT,但由于受到背景干扰的影响,三名受试者的吸光度变化量的方差值随波长的分布特点存在较大的差异；对两个光源-探测器距离下的光谱数据进行差分处理，对比分析OGTT与OWTT的差分光谱数据,结果表明OGTT差分吸光度变化量的方差值远大于OWTT,且三名受试者的差分吸光度变化量的方差值随波长分布特性与葡萄糖溶液的吸收特性基本一致，证明使用自行研发的无创血糖检测系统配合差分处理方法，能够有效去除背景干扰，提取血糖浓度信息#关键词无创血糖检测；近红外；极限检测精度；背景干扰；差分处理方法中图分类号：O433.4文献标识码：A DOI：10.3964/j.issn.1000-0593(2020)11-3438-05引言目前，近红外无创血糖检测技术的精度仍达不到临床应用的需求，主要的困难有：人体血糖信号微弱，且葡萄糖分子的近红外吸收谱带与人体组织中一些组分的近红外吸收谱带相重叠⑴；同时在人体血糖测量过程中，存在着复杂的背景干扰，如仪器漂移、测量条件变化⑵、人体生理状态变化⑶等#因此,多变量回归分析方法如偏最小二乘(partial least square,PLS)等常被用于从光谱数据中提取血糖信息⑷#目前,已有许多使用PLS成功建立了个人血糖浓度检测模型的报道#吕晓凤等⑸测量了人体手掌在800〜2500 nm的漫反射光谱,结合单一个体的口服糖耐量实验(oral glucose tolerance test,OGTT),所得个人PLS模型的预测均方根误差(root mean square error of prediction,RMSEP)为0.40mmol・L】#张洪艳等⑹使用Nexus-870型光谱仪采集了人体手腕处在1000〜5000cm】的漫反射光谱,结合单一个体的血糖浓度数据建立的个人PLS模型相关系数高于0.90,校正均方根误差(root mean square error of calibration, RMSEC)低于0.346mmol•L1#然而，背景干扰对光谱造成的影响往往大于血糖浓度变化引起的光谱响应，例如接触压力、温度的改变均会对近红外光谱造成较大干扰!78"#因此，为了更好地实现无创血糖浓度检测测量系统本身必须具备很高的血糖检测能力并且在控制测量条件尽可能稳定的前提下，采用适当的数据处理方法消除绝大部分的背景干扰否则所建立的模型的相关性很可能仅是由背景干扰信息导致的伪相关#为此，本工作评估了自行研发的无创血糖检测系统的血糖检测精度并对三名健康受试者开展了口服糖耐量试验(OGTT)和口服水耐量试验(oal water tolerance test,OWTT),通过对OGTT与收稿日期：2019-11-10,修订日期：2020-03-15基金项目：国家自然科学基金项目(1671727,81471698,81401454),国家重大科学仪器设备开发专项(2014YQ06773)资助作者简介：孔丹丹，1995年生，天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室硕士研究生e-mail:******************.cn 通讯联系人e-mail:*************.cn第11期光谱学与光谱分析3439OWTT在单一光源-探测器距离下的测量光谱数据以及对两个光源-探测器距离下光谱数据进行差分运算得到的差分光谱进行比较分析$研究了本测量系统配合差分处理方法在消除背景干扰、提取葡萄糖信息方面的能力。
血糖（GLU）方法学验证验证时间：验证次数：验证人员：一检测系统信息：项目：血糖（GLU）仪器名称：仪器型号：试剂及厂商：检测方法：葡萄糖氧化酶法(GOD-PAP 法)二厂商的相关参数：三验证过程1．准确度（Accuracy）：目的：通过检测数据与赋值材料数据的对比，得到实验室检测数据的偏倚，从而评价和验证实验室检测结果的准确性。
评价方法：参加卫生部临检中心或和重庆市临检中心组织的室间质评，或者分析厂商提供的已赋值的参考材料或质控品，检测结果参照厂商的说明，还可以分析多个实验室（10 个以上）参与质量控制过程所用的参考材料，检测结果与同行间的均值比较。
本实验室已参加室间质评的项目一律用回报结果作为评价指标，没有参加的项目通过室间比对来评价其准确度。
最近一次参加的卫生部室间质评：各编号样本测定情况：（mmol/L）2．精密度（Precision）：2．1 批间精密度：目的：考察候选方法的随机误差方法：选择室内质控作为衡量批间精密度的依据。
选择具有医学决定水平的正常及异常质控品每天按照常规标本的方法一样测定，测定结果在遵照厂商参数不出控的前提下利用前3个20 天测定的数据逐步累积最终得出最适均值、标准差。
以此作为判断今后该批号质控数据是否在控的依据。
质控来源：大部分为厂家配套正常/异常值质控品。
个别项目异常值采用留样复查的方法来衡量是否符合临床检测精密度允许范围。
浓度一：浓度二：2．2 批内精密度：目的：考察候选方法的随机误差方法：选择具有医学决定水平的高低值标本在相当短的时间内，按规定的操作方法，在较短得时间内及稳定的条件下各作20 次重复测定。
计算其X、S 与CV。
标本来源：除个别项目采用病人标本外其他项目均采用高低值配套质控品测定结果：试剂说明书上正常值CV%:0.9%试剂说明书上异常值CV%:0.7%1/4 最大允许误差:2.5%结果判断方式：正、异常值CV至少小于1/4 最大允许误差。
测定评价：批内测定低、高值CV值分别为0.6%、0.7%，均小于1/4 最大允许误差，可判定该项目批内精密度结果为“通过”。
基于近红外透射法的无创血糖检测系统研制
郭力;冯斌;葛松伟
【期刊名称】《科技创新与应用》
【年(卷),期】2017(000)004
【摘要】针对已有的近红外无创血糖检测设备昂贵、使用繁琐等问题,设计了一种简便的基于近红外透射法的无创血糖检测系统.采用波长为1310nm的光束作为参考光,波长为1550nm的光束作为测量光,整个光路采用光纤结构.将无创测量系统测得光电信号幅值与有创测量的血糖值进行关联,得到了信号幅值和血糖浓度之间的函数关系,利用Arduino单片机实现了人机接口.该检测系统结构简单,操作简便,测得值可有效反映血糖变化.
【总页数】2页(P21-22)
【作者】郭力;冯斌;葛松伟
【作者单位】西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710032;西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710032;西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710032
【正文语种】中文
【相关文献】
1.近红外无创血糖检测系统中电流探测单元的设计
2.近红外无创血糖检测中基于差动式浮动基准测量的有效信号提取
3.近红外无创血糖检测系统设计
4.近红外无创血糖检测系统信号提取能力的验证
5.基于ε-SVR的近红外无创血糖浓度回归预测研究
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一、实验目的1. 了解血糖监测的基本原理和方法。
2. 掌握使用血糖仪进行血糖监测的操作步骤。
3. 分析血糖监测结果，评估血糖水平。
二、实验原理血糖监测是糖尿病管理中的重要环节。
血糖仪通过测定血液中的葡萄糖浓度来反映血糖水平。
本实验采用酶法测定血糖，利用葡萄糖氧化酶催化葡萄糖与氧气反应生成过氧化氢，过氧化氢在过氧化物酶的作用下分解，产生水并释放出热量，通过测量热量变化来计算血糖浓度。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：葡萄糖标准溶液、血清、血糖仪、血糖试纸、采血笔、酒精棉球、采血管、计时器等。
2. 仪器：血糖仪、酶标仪、移液器、容量瓶等。
四、实验步骤1. 标准曲线的绘制：取一系列浓度不同的葡萄糖标准溶液，分别加入反应体系中，测定各溶液的吸光度，以葡萄糖浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。
2. 血糖测定：采集受试者空腹静脉血，按照血糖仪说明书进行操作，将血糖试纸浸入血液，等待试纸变色，读取血糖值。
3. 数据分析：将实验数据与标准曲线进行比对，计算受试者的血糖浓度。
五、实验结果1. 标准曲线绘制：以葡萄糖浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。
标准曲线线性范围为0.1-1.0mmol/L。
2. 血糖测定：受试者空腹静脉血糖值为5.6mmol/L。
六、实验讨论1. 血糖监测对于糖尿病患者来说至关重要，本实验通过血糖仪测定血糖，结果准确可靠。
2. 血糖仪操作简便，便于患者在家中自行监测血糖，有利于病情控制。
3. 实验过程中，注意以下几点：a. 血液采集前，受试者需保持空腹状态；b. 采血时，尽量减少血液与空气接触，以免影响血糖测定结果；c. 操作过程中，避免试纸受潮，以免影响血糖测定结果。
七、实验结论本实验通过血糖仪测定受试者空腹静脉血糖，结果显示血糖浓度为5.6mmol/L，符合正常范围。
实验结果表明，血糖仪是一种简便、准确的血糖监测工具，有助于糖尿病患者及时了解自身血糖水平，调整治疗方案。
第31卷第12期2010年12月仪器仪表学报Ch i nese Journa l o f Sc ientific Instru m entV o l 131N o 112D ec . 2010一种透皮无创血糖检测系统的设计*与实验验证肖宏辉1, 2, 常凌乾1, 2, 杨庆德1, 2, 贺银增1, 2, 蔡新霞1, 2(1 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地北京 100190;2 中国科学院研究生院北京 100049摘要:介绍了一种基于反离子电渗方法的非侵入式血糖监测系统。
该系统通过集成恒电流源和双恒电势仪电路, 配合高灵敏度介体酶传感器, 实现了反离子电渗抽取和抽取至体表葡萄糖的检测。
并且通过良好的降噪和提升采样精度的设计, 有效提高了测量的准确性。
根据所检测的葡萄糖浓度与组织液葡萄糖浓度以及血糖浓度间相对稳定的对应关系, 本系统可以自动计算出血糖浓度。
经过动物实验验证:该无创血糖监测系统经过一次有创校准后能够实现血糖监测。
对比常规的有创测量方法, 在动物血糖自然变化状态下, 该系统的监测结果能够很好地反映出血糖的平均浓度值; 在人为干预动物血糖浓度的情况下, 该系统的监测结果能够较好地反映出血糖的变化趋势。
关键词:血糖; 无创测量; 反离子电渗; 中国实验用小型猪中图分类号:TH 77 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:510. 8040D evel op m ent and experim ent of a gl ucose m onitor usi ngnoninvasi ve transdermal extractionX iao H onghu i , Chang Lingqian , Yang Q ingde , H e Y i n zeng , Ca iX i n x i a 2Graduate Universit y of Chinese A cade my of Sciences , B eij i ng 100049, China 1, 21, 21, 21, 21, 2(1S tate K e y Laboratory of T ransducer T echnology, Instit u te of E lectronics , Chinese A cad e m y of Science , B eij i ng 100190, China;Abst ract :A non-i n vasi v e g l u cose monitor based on reverse iontophoresis is described . The reverse i o ntophoresi sm ethod is realized w ith a constant current source , and the glucose obta i n ed usi n g reverse iontophoresis m ethod i s detected w it h a high -sensiti v ity enzy m e b iosensor and a double constant voltage source c ircu i. t The accuracy of the m on ito r is i m pr oved by good no ise depressi o n desi g n and h i g h sa m ple prec i s ion desi g n. The m on ito r can fi g ure out blood g lucose through the re lationsh i p a m ong the g l u cose detected by the b iosensor , the g lucose in tissues and blood glucose . A ni m a l experi m entsw ere carried ou t to verify the m onitor . The resu lts show t h at the m on itor can detect the var i a ti o n of the experi m enta l an i m a l . s blood g l u cose after an invasive i n str um en t calibration . W hen the ani m a l . s blood glucose varies in nor m al status , the result of the m onitor sho w s good corre lation w ith the i n vasi v e i n stru m ent resu lt . W hen the ani m al i s i n jected w ith a m ount of high concen trati o n g lucose , the m on itor can detect the variati o n trend of blood glucose . K ey words :blood g l u cose ; non-i n vasi v e m on itor ; reverse i o ntophoresis ; Ch i n ese exper i m enta lm i n i p i g收稿日期:2010-05 R ece i ved D ate :2010-05*基金项目:国家重点基础研究发展计划(2011CB933202 、国家高技术研究发展计划(2007AA042105, 2007AA04Z326 、中科院知识创新项目(KGCX2-Y W-916 资助选择性、高灵敏度, 可以有效地排除其他电渗至体表的物1 引言糖尿病已成为严重危害人体健康的慢性非传染性疾病。
糖尿病在中国的严峻形势更是发人深省。
截止2003年, 中国已经成为糖尿病第二大国, 拥有2380万糖尿病患者, 仅次于印度。
血糖监测是对前驱糖尿病患者和糖尿病患者诊断和治疗的重要依据, 同时连续的血糖监测有助于改善自身膳食结构, 预防糖尿病。
[2]无创检测技术应用于临床测量成为了近年来研究的重点, 常见的无创测量方法有很多种, 例如能量代谢守恒法、光声光谱法、近红外光谱法、反离子电渗[6-7]法等。
其中, 反离子电渗法配合高灵敏度介体酶传感器, 能够有效地排除其他生物物质的干扰, 同时具有极高的检测灵敏度。
基于上述技术背景, 本课题组前期研发了一款无创血糖仪, 并进行了一系列模拟实验和动物实验。
在之前的无创血糖仪及其实验数据的基础上, 本文设计了一种新的的无创血糖监测系统, 该系统采用一种新的血糖浓度计算方法, 并对反离子电渗电路和检测电路进行了改进, 以提高本系统的测量稳定性和可靠性。
本文还设计了相关的动物实验, 通过实验验证了本系统对于测量动物血糖的可行性和可靠性。
[8][7][3][4][5][1]质的影响, 能够测量出微量的葡萄糖(检出限为1L M , 同时在工作电极表面修饰了凝胶层, 可以形成相对稳定的溶液环境, 有助于葡萄糖的检测。
为了配合反离子电渗抽取, 在上述传感器的对电极上修饰A g |AgCl浆, 从而将对电极复用作反离子电渗的抽取电极, 这样就形成了集反离子电渗和葡萄糖检测功能为一体的传感器与抽取[13]电极复合体(以下简称复合体 , 如图1所示。
1A g |Ag C l 参比电极; 2电极引线; 3抽取电极/对电极;4修饰了酶膜的工作电极图1 传感器与抽取电极复合体示意图F ig . 1The co m plex of senso r and ex trac ti ng electrode从图1可以看出, 该复合体由2个完全一样的传感器以对称的形式构成, 这2个传感器的抽取电极在抽取过程中分别作为施加电场的正负极, 实施反离子电渗抽取。
2 检测原理动物皮肤起着隔绝动物体内组织与外界环境的作用, 目前已有多种方法能经过皮肤传输各种物质。
基于反离子电渗抽取(以下简称为抽取的经皮无创血糖检测就是其中的一种方法, 其目的是为了突破皮肤的隔绝作用, 建立皮下组织至体表传感器的葡萄糖传输通路。
通过在体表施加一个电场, 皮下组织中的带电离子在电场的作用下迁移至体表, 其中正离子朝着阴极移动, 负离+子朝着阳极移动。
Na 离子将作为中性分子迁移的载体[9]3 系统设计本监测系统包括多路切换开关、反离子电渗抽取电路、传感器后端电路、中央处理与控制模块、电源模块。
系统框图如图2所示。
因此中性分子, 如葡萄糖分子, 将迁移至阴极。
随着皮下组织中葡萄糖浓度的不同, 迁移至体表的葡萄糖的量也不一样。
最后根据抽取出的葡萄糖的量、皮下葡萄糖浓度和血糖浓度三者之间的相对固定的关系, 计算出[10]血糖浓度。
动物皮肤能够存储葡萄糖等生物物质[11], 这部分葡图2 系统总体设计结构框图F i g . 2Struct ure diag ra m of the system萄糖的量是未知的, 因此为了使得测量结果稳定, 在抽取前, 需要先进行预抽取, 将皮肤内原有的葡萄糖清理。
预抽取之后, 皮下组织至体表的葡萄糖传输通道已经建立, 可以在同一部位进行连续抽取和测量。
本监测系统利用以锇离子聚合物为介体的高灵敏度[12]传感器具有3. 1 多路切换开关本系统采用多路切换开关实现上述复合体的抽取和检测功能。
当进行抽取时, 将复合体连接至反离子电渗; , 将传感器电路。
3. 2 反离子电渗抽取电路鉴于本课题组的前一款仪表无法对抽取有效性进行判断[8], 本文设计的仪表添加了反离子电渗抽取电路, 如图3所示。
图中I 为恒流源, 通过电流基准源芯片REF200实现, 该恒流源输出100L A 电流。
R 是一个小电阻, 阻值为18。
恒流源输出的微电流通过抽取电极, 流经皮肤,达到反离子电渗抽取的目的。
C 1、R 1、W 1、i 1分别表示传感器1的对电极、参比电极、工作电极、响应电流;C 2、R 2、W 2、i 2分别表示传感器2的对电极、参比电极、工作电极、响应电流图4 传感器后端电路原理图F i g . 4B l ock d i agra m o f the sensor si gna l processi ng c ircuit图3 反离子电渗抽取电路原理图F ig . 3B l o ck diag ram of reverse i ontophoresis c ircuit本课题组的前一款仪表对于无创检测时的背景电流无法有效的去除。
