糖尿病的無損檢測

糖尿病的無損檢測

糖尿病是一種常見的內(nèi)側(cè)疾病。根據(jù)1994年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國糖尿病患者的發(fā)病率為2.5%，且逐年增加。因此，糖尿病的診斷和治療非常重要。在醫(yī)學(xué)上，血液中的血濃度是通過靜脈采血或快速血糖儀的血清采集而確定的。這不僅給患者帶來了許多痛苦和出血，還增加了感染的機(jī)會，并不能進(jìn)行連續(xù)性檢測。為了改變這種情況，近年來，國外積極研究了血液濃度的損害檢測方法[1、3、4、5、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、23、24、25、26、27、28、30和31]。1血糖無損檢測最簡單的方法是測血液代替物(唾液、汗、尿液)中的葡萄糖濃度,但研究表明所測得的葡萄糖濃度與血糖濃度無明顯相關(guān)性.另一種方法是通過皮膚輕度腐蝕,去除表皮障礙,加負(fù)壓連續(xù)抽取的方法測組織間隙液的糖濃度與血糖濃度的相關(guān)關(guān)系,從而得血糖濃度,但這仍是一種有損的檢測方法.利用與體外測量相結(jié)合的微滲透技術(shù),測組織間隙液的葡萄糖濃度,所測葡萄糖濃度與血糖濃度相關(guān)性好,是一種有發(fā)展前途的血糖無損檢測技術(shù),但檢測過程中操作技術(shù)要求高,測量復(fù)雜,不適用于臨床使用.2血糖無損檢測20世紀(jì)60年代,酶電極作為電化學(xué)傳感器,首次被提出來用于血糖無損檢測,這是血糖無損檢測的最早報(bào)道.后來又出現(xiàn)了光學(xué)傳感器.經(jīng)過幾十年的研究,生物傳感器已成為一個(gè)相對成熟和研究比較充分的領(lǐng)域[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15],而且符合臨床的迫切需要.2.1快速掌握所提供的結(jié)果電化學(xué)傳感器的主要組成部件為生物膜、監(jiān)測器和傳感器,其中生物膜由功能穩(wěn)定性好的生物材料組成.首先,該生物膜應(yīng)能夠被測量物質(zhì)透過,同時(shí)又能保護(hù)傳感器內(nèi)部的部件免受外部環(huán)境的各種不良影響.其次,電化學(xué)傳感器還必須滿足以下的要求:能分析未處理過的生物樣品;能直接與樣品接觸;能快速提供可重復(fù)的結(jié)果;能連續(xù)測量;不受體內(nèi)其他物質(zhì)和化學(xué)變化的干擾;可攜帶甚至可植入皮下.因此,電化學(xué)傳感器分為兩類:體外傳感器(皮膚表面的傳感器)和可植入皮下的傳感器.其工作原理為:測量與被分析物質(zhì)濃度成比例變化的物理量.例如,在電化學(xué)傳感器中,因?yàn)槠咸烟窃谄咸烟茄趸傅拇呋卵趸a(chǎn)生H2O2,該過程中產(chǎn)生的電流與葡萄糖的含量符合化學(xué)計(jì)量比關(guān)系,所以通過測量電流可以得知葡萄糖的濃度.但電化學(xué)傳感器存在以下主要缺陷:(1)組織或血漿中其他成分對電化學(xué)信號的影響;(2)體外傳感器對表皮的穿透性較低;(3)傳感器植入皮下后,電極表面存在的生物相容性不足,可能導(dǎo)致永久的細(xì)菌感染,即使不致病,也會導(dǎo)致測量信號發(fā)生改變;(4)傳感器植入皮下后還可能使生理環(huán)境發(fā)生改變,從而激活免疫細(xì)胞,導(dǎo)致信號漂移和靈敏度下降;(5)傳感器植入皮下甚至可能導(dǎo)致血栓形成.所以電化學(xué)傳感器只能在有限的范圍內(nèi)使用,還沒能真正應(yīng)用于臨床.2.2光-熱傳感器另一種生物傳感器是光學(xué)傳感器,分為光-光傳感器、光-熱傳感器和光-聲傳感器.光-光傳感器主要組成部件為探頭,包括光源光纖(輸出半導(dǎo)體激光)和光監(jiān)測光纖(將光信號導(dǎo)入光電二極管).其工作原理分為光吸收、光反射和光散射3種.例如,光散射的方法是測量皮膚光散射系數(shù),用散射系數(shù)來反映血糖濃度的變化,血糖濃度每升高5.5mmol,散射系數(shù)降低1%.光-熱傳感器工作原理是測量由光信號產(chǎn)生的熱信號.而光-聲傳感器是測量由光信號產(chǎn)生的聲信號.光學(xué)傳感器存在以下主要缺陷:(1)受組織或血漿中的其他成分、皮膚層水化情況、組織結(jié)構(gòu)重組、傳感器和皮膚的界面情況以及皮膚溫度的影響,傳感器測量值一般小于靜脈血血糖值.(2)光源的高能量輻射可能導(dǎo)致分子水平的細(xì)胞受損.所以光學(xué)傳感器的方法也沒有用于臨床.3血糖無損檢測譜學(xué)方法依賴于不同譜學(xué)區(qū)域的特征吸收,是一種公認(rèn)的進(jìn)行液體中溶質(zhì)定量測定的方法.通過口服一定量的C標(biāo)記葡萄糖,在外加磁場下測其聲共振或磁共振譜,可給出一些病理方面的預(yù)測,但儀器設(shè)備復(fù)雜,占用的計(jì)算機(jī)容量巨大.近年來,一些研究小組利用Fourier變換Raman光譜進(jìn)行了血糖無損檢測,但沒有收到好的測量結(jié)果.3.1血糖無損檢測國際上研究最多的是用Fourier變換近紅外光譜(FT-NIR)的方法[17,18,19,20,21,23,24,25,26,27,28,30].德國的Heise和美國的Arnold等做了大量工作,對該種測量方法進(jìn)行了廣泛深入的研究.近紅外區(qū)(4000～12800cm-1)包含了-CH,-OH和-NH的伸縮和彎曲振動的弱的合頻(4000～5000cm-1主要是水、脂肪和蛋白質(zhì)的吸收)和倍頻振動(5400～7500cm-1主要是水和脂肪的吸收).不同光譜區(qū)域中水的影響不相同.葡萄糖在-CH,-OH和-NH伸縮和彎曲振動的合頻區(qū)吸收較強(qiáng),吸收峰較尖銳,適于分析,但由于水在該區(qū)的強(qiáng)吸收,樣品厚度必須限制在1～2mm.雖然水在第一倍頻區(qū)的吸收較低,光譜測量中的樣品厚度可達(dá)10mm(在短波長的近紅外測量中樣品厚度甚至可達(dá)幾個(gè)厘米),但葡萄糖在第一倍頻區(qū)～6200,～5920和～5775cm-1的吸收峰被強(qiáng)背景所掩蓋.另外,由于葡萄糖吸收峰的形狀和強(qiáng)度在合頻和第一倍頻區(qū)的差別很大,所以光譜測量區(qū)域的選擇很重要.測量方法分為透射譜和反射譜兩種.因?yàn)橥干渥V測量樣品的厚度要求很薄,所以反射譜的方法用于血糖無損檢測具有很大的優(yōu)勢.光纖附件(850～1300nm)是光反射方法中的重要部件,其主要構(gòu)件是探頭和兩個(gè)同中心的玻璃纖維(分別起發(fā)射光和收集光的作用).Heinemann等的研究表明,探頭在皮膚上的位置對測量結(jié)果影響不大,而探頭的方向和壓力對測量結(jié)果影響明顯.衰減全反射(ATR)附件是光反射方法中的另一重要附件,專門用于與水溶液和高水分的生物體液相容樣品的測定.Heise等首次用ATR技術(shù)測量了人體血漿和血液中的葡萄糖、蛋白質(zhì)、膽固醇、尿素、尿酸和甘油三酯等組分的濃度.血糖無損檢測的研究分為以下幾個(gè)層次:(1)體外實(shí)驗(yàn):測體液(血、組織間隙液、眼前房水、淋巴液、尿液、汗、唾液、眼淚、腦脊髓液等)中的葡萄糖含量,模擬對血液的血糖值測量.(2)組織塊實(shí)驗(yàn):對離體組織塊進(jìn)行測量,用于考查不同測量部位的物理化學(xué)性質(zhì)對檢測的影響.如果不考慮光譜范圍,測量部位的組織厚度很重要,組織必須厚薄合適,以使葡萄糖達(dá)到能夠被檢測的量,同時(shí)又能夠減小其他生物成分的影響.(3)人體試驗(yàn):通過口服葡萄糖和注射胰島素,進(jìn)行口服葡萄糖耐量測試(OGTT),測量身體不同部位的近紅外光譜與血糖濃度的對應(yīng)關(guān)系.研究表明,測量部位的選擇會影響光譜的信噪比.例如對不同測量部位(食指、前臂、頰、下唇、上唇、鼻中隔、蹼膜、舌)在第一倍頻區(qū)的近紅外光譜測量,用回歸分析的方法進(jìn)行組織內(nèi)的水和脂肪含量的估算和預(yù)測,得出結(jié)果為脂肪含量:蹼膜》下唇>上唇>頰>舌.因?yàn)橹竞康偷慕M織具有高的近紅外光透射性,能得到信噪比好的高質(zhì)量光譜,所以舌是第一倍頻區(qū)的最優(yōu)測量部位.因?yàn)檠墓庾V是多種成分的加和,葡萄糖僅占很小一部分,光譜常受噪聲、體內(nèi)組織的其他各成分的光譜疊加和基線變化的影響,所以必須通過多變量分析的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法來選取與血糖濃度相關(guān)的光譜數(shù)據(jù),這需要復(fù)雜的譜學(xué)計(jì)算程序.最常用的計(jì)算模型是(偏最小二乘法PSL),多變量分析和回歸的模型,該模型能測量強(qiáng)背景下的低濃度生理成分.例如,Heise使用PSL多變量分析方法,以單人數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的計(jì)算模型,所得血糖值的均方預(yù)測誤差的平均值約為2.5mmol/L(45mg/dL);以多人數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的計(jì)算模型,所得血糖值的均方預(yù)測誤差的平均值約為3.1mmol/L(55mg/dL),作為研究對象的糖尿病病人群體的平均血糖濃度約為11.5mmol/L(207.5mg/dL).使用PSL模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合,以單人數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的計(jì)算模型,所得血糖值的均方預(yù)測誤差的平均值約為1.9mmol/L(35mg/dL);以多人數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的計(jì)算模型,所得血糖值的均方預(yù)測誤差的平均值約為2.6mmol/L(46mg/dL).Arnold使用PSL模型與Fourier濾波數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法相結(jié)合,所得血糖值的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)誤差為2.6mmol/L(23.3mg/dL).從以上結(jié)果可以看出,近紅外光譜預(yù)測血糖值的誤差較大,不適用于正常和低血糖的人群(正常人的血糖值約為120mg/dL或更低).近紅外光譜用于血糖無損檢測,存在以下明顯的問題:(1)由于近紅外光譜包含了-CH,-OH和-NH的伸縮和彎曲振動的倍頻和弱合頻振動,從而具有低吸收系數(shù)和寬吸收峰的低選擇性特征;而且生物分子中-CH和-NH基團(tuán)的多樣性導(dǎo)致譜峰嚴(yán)重疊加,使光譜指認(rèn)和定量化都很困難.(2)血糖的濃度很低,其吸收信號更易受其他生物組織成分(水、脂肪、蛋白質(zhì)等)的光吸收干擾和光譜疊加的影響.(3)光散射的影響:近紅外的光散射嚴(yán)重.血液的組分對近紅外線的光散射具有波數(shù)依賴性,導(dǎo)致偏移和基線傾斜.而且光散射系數(shù)具有非濃度依賴性,例如,光散射系數(shù)有明顯的溫度依賴性,在25～28℃范圍內(nèi),溫度每變化1℃,散射系數(shù)變化1%.(4)皮膚內(nèi)被測葡萄糖來源的多樣性(包括細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間隙和血液中的)對測量結(jié)果有影響.(5)體內(nèi)血供給量的變化和血氧合作用會導(dǎo)致光吸收和光散射的變化.(6)由于整個(gè)組織水背景受組織的微脈管系統(tǒng)和組織的質(zhì)地及紋理等諸多因素的影響,而且水的近紅外吸收光譜與葡萄糖非常相似,所以水的變化所導(dǎo)致的光譜差別在光譜計(jì)算中很難去除.另外,水的偶極性和氫鍵也會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響(例如:氫鍵會改變-OH伸縮振動吸收峰的頻率).(7)電解質(zhì)濃度和蛋白質(zhì)濃度的影響.(8)探頭和皮膚的界面情況及溫度的影響.(9)譜學(xué)計(jì)算程序的復(fù)雜.由于以上原因,近紅外的測量方法和計(jì)算模型還不能在臨床上使用.要解決以上問題,需在3個(gè)方面做出努力:首先,測量設(shè)備需進(jìn)一步改善,使儀器真正能實(shí)現(xiàn)無損和有效的檢測.其次,穩(wěn)定和高重復(fù)性的光譜計(jì)算模型的建立,能夠有效地去除噪聲、其他組分及外界環(huán)境變化的影響,確立可靠的校正系數(shù).第三,化學(xué)計(jì)量學(xué)方法和多變量分析方法的改善,因?yàn)樯矬w系的復(fù)雜性使得數(shù)據(jù)計(jì)算和簡化更為重要.3.2中紅外光導(dǎo)纖維ft-iratr非損傷性檢測的可行性由于近紅外計(jì)算受到溶液中其他成分和變化的影響,Heise經(jīng)過研究認(rèn)為短波長的近紅外比長波長的近紅外預(yù)測血糖濃度的結(jié)果更差一些,對血糖選擇性最好的是中紅外光譜.例如,在體外實(shí)驗(yàn)中,低于1800cm-1的中紅外光譜對血糖濃度預(yù)測的誤差為4.7%,用1mm的樣品池所測的近紅外光譜對血糖濃度預(yù)測的誤差為7.8%,而短波長近紅外光譜對血糖濃度的預(yù)測更差,其誤差為23%.Fourier變換中紅外光譜(FT-IR)有明顯的測量優(yōu)勢,因?yàn)樵谥屑t外區(qū)(400～4000cm-1)有分子振動的基頻和合頻的強(qiáng)吸收,光譜信息含量高和分子選擇性好,所以適用于體外檢測;而且葡萄糖在中紅外區(qū)有特征吸收峰,中紅外消光系數(shù)大;另外,中紅外光譜適應(yīng)的理論簡潔明了,使用方便,所以人們考慮用中紅外光譜進(jìn)行非損傷性地測定人體血糖濃度、監(jiān)測血糖變化.但在1979年Kaiser,1993年Kajiwara和1998年Heise的報(bào)道中紅外光譜用于血糖無損檢測并未得到的結(jié)果,其原因是中紅外用于血糖無損檢測面臨以下問題:雖然中紅外信息內(nèi)容含量高和分子選擇性好,適合于體外測量,但是,中紅外光譜區(qū)包含的是分子基團(tuán)振動的基頻,吸收峰強(qiáng)度很大,尤其生物分子(包括水和蛋白)對中紅外的吸收很強(qiáng),從而使中紅外線穿透高水含量的生物樣品深度很淺(僅5～6μm),所以測量中必須用很薄的樣品(<50μm),而中紅外的光學(xué)探測深度不足以透過皮膚達(dá)到體內(nèi)組織中的代謝物.在以往的文獻(xiàn)中沒有給出徹底解決上述問題的方法,對此,我們給出的解決方法是:采用ATR(衰減全反射)技術(shù)解決中紅外光譜測量中對樣品厚度的局限性,另外,通過選擇葡萄糖的C-O特征峰(1200～1000cm-1),可使中紅外線的穿透深度增大.原因是水和蛋白質(zhì)等生物分子在該區(qū)域無強(qiáng)吸收(水占皮膚組織的60%～70%),使該區(qū)域成為中紅外線的透明窗口.我們選用1465cm-1的C-H吸收峰為參比,用葡萄糖在～1123cm-1特征峰的峰高與參比峰峰高的比值作為相對強(qiáng)度的量度來表征葡萄糖的含量,用中紅外光導(dǎo)纖維和中紅外ATR附件分別研究了FT-IR用于血糖的無損測定.結(jié)果表明健康人空腹服用葡萄糖后,～1123cm-1特征峰的相對強(qiáng)度隨時(shí)間的變化,先是明顯增加,經(jīng)過1h升至最高,然后開始下降,最后與空腹時(shí)的相對強(qiáng)度接近.這說明該特征峰的相對強(qiáng)度與正常人的血糖濃度具有相似的變化規(guī)律,其相對強(qiáng)度的變化與該受試者的血糖值變化基本同步