无创医用传感器的发展及测量原理

　　无创测量通常指非侵入式测量，与有创测量相反，通常通过将测量仪器与被测对象皮肤接触等方式，间接引导或传感有关生命体的生理和生化参数，故也称间接测量。有些微创测量的方法，也被称为无创测量。无创医用传感器就是采用无创测量的方法应用于生物医学领域的传感器。

　　无创医用传感器的发展

　　随着人们健康意识的不断提高和现代医学手段的多样化，无创检测成为近年来传感器发展的另一个热门方向，通过改变敏感元件或检测原理来实现无创检测也成为现代临床诊断研究的重点领域。由康普生公司生产的指夹式无创血流参数检测仪采用指夹式光电容积血流脉搏波传感器固定在人体指端进行检测，可定量检测出人体心搏出量、外周阻力、血管弹性、血液粘性和微循环状况等方面的十几项血流指标参数，显示每项参数的实际测量值、变化趋势，供与正常值范围比较。

　　此外，无创血糖检测已引起了人们极大的关注，利用葡萄糖对特定波长的红外光敏感的特点，可实现无创伤的血糖检测，因而能够克服采血法检测的缺点。目前，世界上有许多科研机构正在进行无创血糖测量的前期基础研发工作，如：美国OHIO大学、LOWA大学、MARYLAND大学、FUTREX公司、BIO

　　此外，无创血糖检测已引起了人们极大的关注，利用葡萄糖对特定波长的红外光敏感的特点，可实现无创伤的血糖检测，因而能够克服采血法检测的缺点。目前，世界上有许多科研机构正在进行无创血糖测量的前期基础研发工作，如：美国OHIO大学、LOWA大学、MARYLAND大学、FUTREX公司、BIO

　　无创医用传感器的测量原理

　　无创测量通常对有机体不会造成创伤，但测量结果常常不如有创测量精准。有创测量由于原理明确、方法可靠、测量精度高，因此也可作为精度较低的无创测量（通常采用间接测量）方法的对照评估标准。

　　无创测量常用与血压测量，体脂含量等的测量，目前也有一些无创血糖检测的方法被开发和利用：

　　1、测量皮下渗出组织液的中血糖浓度的方法

　　这种方法是通过皮下渗出的组织液进行葡萄糖水平的检测。例如，葡萄糖手表。它是一种无创血糖值测量的工具，在实际使用中葡萄糖手表测定的并不是血液中的葡萄糖含量，而是组织液中的葡萄糖水平，其理论依据为血糖值和组织液中的糖糖量基本上是对等的。此表中国科技论文在线在外形上比一般手表略大，在表的背部有渗透液传感器模块用来接触皮肤，此模块包含一个微弱的电流并且通过微透析技术，利用透出皮肤的皮下组织液，测定其组织液的含糖量。

　　2、微波无创血糖检测法

　　这种测量方法的基本原理是，首先发射一定频率的微波，根据微波的特性在含有葡萄糖的溶液中，如果遇到了溶液中的离子特别是钠离子会影响微波的传播路径。这些离子会对微波产生一定的干扰，例如削弱其振幅并使微波的频谱发生相移。这种影响因为每种葡萄糖溶液的浓度不同产生不同的变化。因此，选用数个适当频率的微波使其从不同方位通过人体组织，然后根据检测到的微波的频率和相位以及振幅的变化即可分析人体的血液中葡萄糖浓度从而达到测量血糖值的目的。微波检测法出了对血糖进行检测还可以无创测量其它物质的含量，如胆固醇、糖基蛋白质等。虽然微波检测法速度很快，但是当微波通过人体组织时，其损耗也比较大，这种情况也给微波检测法的应用带来了一定的困难。

　　3、皮下植入传感器方法的无创血糖测量

　　这种方法进行无创血糖检测的原理是用一个外表涂有一种可以对酸度变化及时做出正确反应的聚合物传感器来检测葡萄糖氧化酶的含量。具体的情况是当葡萄糖氧化酶遇到血糖后会发生一系列的化学反应，此种化学反应会产生一种酸性物质，这种物质会使葡萄糖聚合物大幅度的膨胀因此就改变了传感器的频率。随之对应于传感器的读数器把这些频率变化对应的用数字来显示，以此来表示病人血糖水平的变化。据相关研究表明，美国宾夕法尼亚州立大学已经研制出一种无线微型传感器，糖尿病患者只需将这种传感器植于表皮组织之下，然后根据传感器的电子读数就可以随时监控自身的血糖水平，同时可以向自己的主治医师传送实时的监测报告。

　　4、人体的射频阻抗无创测量血糖值

　　根据射频阻抗的理论，当施加波长比红外线更长的电磁波对人体进行辐射时，因为葡萄糖是一种非离子可溶性的物质，它将吸收一定频率的电磁波，提取被吸收的频率的电磁波的特征值，进行定量的分析在理论上是可以由此得出血液的葡萄糖含量的。虽然在理论上这种测量方法是成熟可行的，但是在实际操作中，因为体液中还含有其他多种非离子可溶性物质，它们也会吸收电磁波，因此如何对应频率的葡萄糖吸收特征值分离及提取，得到确定的谱线分析是这种方法能否实际操作的关键。但目前该项目仅处于试验室研究阶段，相关资料未表明何时能进展到临床试验阶段。

　　5、利用能量守恒原理

　　进行无创血糖的测量人体内物质代谢过程就是能量代谢的过程，葡萄糖作为人身体主要的能源供给物质，在氧气供应充足的情况下，肌体内会产生葡萄糖氧化反应，在这个化学方程式中，作为主要能源物质的葡萄糖的浓度变化会相应地引起人体代谢的变化，从而影响到人体体温等生理参数发生变化。因此Ok Kyung Cho等人做出以下假设：

　　①人体产热=人体散热；

　　②人体处于静息状态，对外做功等于0；

　　③人体所产生的热量可以通过血糖浓度和氧容量等生理参数来进行描述；

　　④氧容量取决于血红蛋白浓度、血氧饱和度和毛细血管的血流量；

　　⑤散热主要方式是热传导、热对流和热辐射。

　　根据以上的五种假设，又依据能量守恒原则可得出以下结论：代谢产生的热量是血糖水平和氧容量的函数，氧容量是动脉血氧饱和度及血液流速的函数，脉搏跳动率作为一个参数来修正，因此只要测量出代谢产生的热量、血液流速、血氧饱和度和脉率就可以推算出人体血糖的水平。用这种方法测量人体血糖值，首先是采用相关理论建立人体表面对流换热的数学模型，根据人体热平衡数学模型，计算出人体局部（例如手指）代谢率，然后根据改进的热清除法计算出人体局部的血流速度，最后根据能量守恒建立其整体的数学表达式。

　　6、利用唾液进行无创血糖检测

　　此种方法利用唾液进行葡萄糖含量的检测。一些临床医学研究数据表明血糖浓度与唾液中所含的淀粉酶成正比，所以通过测量人体口腔中唾液含淀粉酶的多少能够间接地知道被测体血糖浓度的高低。这种血糖的检测方法最主要的技术难关是对高灵敏度、高特异性的试纸进行开发，并且对检测装置的灵敏性也有较高的要求。

　　7、超声波血糖检测仪

　　超声波血糖检测仪的原理是使用超声波发射仪器向皮肤发出一个低频超声光束，因为超声光束对人体内不同物质的穿透性，利用超声回波的反射结果就可以知道血液中葡萄糖分子的含量。美国研究人员新近研制成一种无痛测量糖尿病患者血糖值的超声波检测仪器，这种超声测试仪的准确率几乎与传统的采血检测法相似。由于是无痛测试，该仪器受到了糖尿病患者的普遍接受。此仪器利用糖尿病患者的超声波反射值的不同来定量检测人体的血糖含量，并可在4 小时内每15 分钟测量一次。虽然仪器准确高效，但是其结果的稳定性并未得到相关医疗部门的认可。

　　8、聚光断层摄影（Optical coherence Tomography）

　　OCT 技术在1991 年由Fujimoto 等人提出后，广泛用于医学影像及诊断。这种技术的原理是利用光线的聚集来对皮肤作断层扫描摄影，摄影后的结果会显示出不同组织的不同葡萄糖含量，因为每种组织中所含的葡萄糖有着不同的聚光折射指数从而能算出被测体的血糖值。研究表明，高解析度的聚光断层摄影技术可探测毫米级深度的组织，以此来减少表皮层对讯号的干扰。一项对健康受试者的研究表明，血液游离葡萄糖值的变化与OCT 讯号有很大的相关性，并且对血液葡萄糖含量的变动非常敏感，但是其对测量值的稳定性还需在糖尿病患者身上作进一步的研究。

　　9、旋光法无创血糖测量

　　旋光法无创测量血液葡萄糖值是根据光的偏光特性，通过测量透射光（或反射光）的偏转角，来得出人体的血糖浓度。

　　10、光声光谱法与激光拉曼光谱法

　　测量血糖光声光谱测量方法的原理是利用近红外激光脉冲与人体组织间的相互热作用而测量温度变化从而反映人体组织成分的一种方法。

　　首先将近红外激光脉冲射入人体，人体组织的内部结构会由于不同种成分的分子对光的吸收作用不同而导致细微的局部变热，当温度持续升高引起快速的热膨胀后，放置于组织表面的温度和压力传感器就能检测到超声压力波，即光声信号。利用不同组织成分散发出的光声信号的幅度与频率的不同关系就可以检测出组织内部某种特定成分的含量。该方法具有灵敏性较高的特点，但其对组织内部结构的变化比较敏感，因而需要一个高灵敏度的体外传感器对检测器。

　　目前，光声光谱方法在离体研究方面非常活跃，但研究成果仅有少量发表。当激光拉曼光谱作用于葡萄糖时会发生拉曼散射效应，即产生微弱的斯托克斯线（stokes line）和反斯托克斯线（antistokes line）。按照光量子理论，当入射光子和一个处于初态能级的分子作弹性碰撞后，光子与分子之间根据动量定理将发生能量交换，光子不仅会改变运动方向，还把一部分能量传递给被碰撞的分子，或从分子取得一部分能量用于本身的运动方向改变。由于拉曼散射光与瑞利散射光的频率之差（拉曼位移）和被撞分子的振动频率与所处能级有关，因此拉曼位移是表征物质分子振动与转动能级的一个物理量。激光拉曼光谱法就是利用该原理测得拉曼光谱的数据从而分析得到人体血液中葡萄糖的浓度。

　　但是该方法有很多限制因素，由于生物组织的吸收和散射效应，普通的测量方法对检测拉曼信号极其困难，另外激光效应下产生的蛋白质类分子的背景荧光信号强度常常与拉曼信号相当。所以拉曼方法一般选用眼前房作为最佳测量部位，因为对眼睛的安全辐射剂量限制很大，导致入射光能较小，使能检测到的拉曼信号更加微弱。因此目前的研究状况显示，应用拉曼光谱方法对人体内成分检测领域的研究还处于起步阶段。

　　11、红外光谱法

　　无创血糖测量红外光按波长不同可划分为若干个区域，波长780nm～2500nm 的区域称为近红外区，波长2500nm～25000nm 的区域称为中红外区。在目前的无创血糖测量方法中红外光谱法是目前使用最广泛的无创血糖测量方法，主要通过人体对近红外线、中红外线或远红外线的分析，从频谱中提取血液的葡萄糖含量。