無創醫用傳感器的發展及測量原理

　　無創測量通常指非侵入式測量，與有創測量相反，通常通過將測量儀器與被測對象皮膚接觸等方式，間接引導或傳感有關生命體的生理和生化參數，故也稱間接測量。有些微創測量的方法，也被稱為無創測量。無創醫用傳感器就是采用無創測量的方法應用于生物醫學領域的傳感器。

　　無創醫用傳感器的發展

　　隨著人們健康意識的不斷提高和現代醫學手段的多樣化，無創檢測成為近年來傳感器發展的另一個熱門方向，通過改變敏感元件或檢測原理來實現無創檢測也成為現代臨床診斷研究的重點領域。由康普生公司生產的指夾式無創血流參數檢測儀采用指夾式光電容積血流脈搏波傳感器固定在人體指端進行檢測，可定量檢測出人體心搏出量、外周阻力、血管彈性、血液粘性和微循環狀況等方面的十幾項血流指標參數，顯示每項參數的實際測量值、變化趨勢，供與正常值范圍比較。

　　此外，無創血糖檢測已引起了人們極大的關注，利用葡萄糖對特定波長的紅外光敏感的特點，可實現無創傷的血糖檢測，因而能夠克服采血法檢測的缺點。目前，世界上有許多科研機構正在進行無創血糖測量的前期基礎研發工作，如：美國OHIO大學、LOWA大學、MARYLAND大學、FUTREX公司、BIO

　　此外，無創血糖檢測已引起了人們極大的關注，利用葡萄糖對特定波長的紅外光敏感的特點，可實現無創傷的血糖檢測，因而能夠克服采血法檢測的缺點。目前，世界上有許多科研機構正在進行無創血糖測量的前期基礎研發工作，如：美國OHIO大學、LOWA大學、MARYLAND大學、FUTREX公司、BIO

　　無創醫用傳感器的測量原理

　　無創測量通常對有機體不會造成創傷，但測量結果常常不如有創測量精準。有創測量由于原理明確、方法可靠、測量精度高，因此也可作為精度較低的無創測量（通常采用間接測量）方法的對照評估標準。

　　無創測量常用與血壓測量，體脂含量等的測量，目前也有一些無創血糖檢測的方法被開發和利用：

　　1、測量皮下滲出組織液的中血糖濃度的方法

　　這種方法是通過皮下滲出的組織液進行葡萄糖水平的檢測。例如，葡萄糖手表。它是一種無創血糖值測量的工具，在實際使用中葡萄糖手表測定的并不是血液中的葡萄糖含量，而是組織液中的葡萄糖水平，其理論依據為血糖值和組織液中的糖糖量基本上是對等的。此表中國科技論文在線在外形上比一般手表略大，在表的背部有滲透液傳感器模塊用來接觸皮膚，此模塊包含一個微弱的電流并且通過微透析技術，利用透出皮膚的皮下組織液，測定其組織液的含糖量。

　　2、微波無創血糖檢測法

　　這種測量方法的基本原理是，首先發射一定頻率的微波，根據微波的特性在含有葡萄糖的溶液中，如果遇到了溶液中的離子特別是鈉離子會影響微波的傳播路徑。這些離子會對微波產生一定的干擾，例如削弱其振幅并使微波的頻譜發生相移。這種影響因為每種葡萄糖溶液的濃度不同產生不同的變化。因此，選用數個適當頻率的微波使其從不同方位通過人體組織，然后根據檢測到的微波的頻率和相位以及振幅的變化即可分析人體的血液中葡萄糖濃度從而達到測量血糖值的目的。微波檢測法出了對血糖進行檢測還可以無創測量其它物質的含量，如膽固醇、糖基蛋白質等。雖然微波檢測法速度很快，但是當微波通過人體組織時，其損耗也比較大，這種情況也給微波檢測法的應用帶來了一定的困難。

　　3、皮下植入傳感器方法的無創血糖測量

　　這種方法進行無創血糖檢測的原理是用一個外表涂有一種可以對酸度變化及時做出正確反應的聚合物傳感器來檢測葡萄糖氧化酶的含量。具體的情況是當葡萄糖氧化酶遇到血糖后會發生一系列的化學反應，此種化學反應會產生一種酸性物質，這種物質會使葡萄糖聚合物大幅度的膨脹因此就改變了傳感器的頻率。隨之對應于傳感器的讀數器把這些頻率變化對應的用數字來顯示，以此來表示病人血糖水平的變化。據相關研究表明，美國賓夕法尼亞州立大學已經研制出一種無線微型傳感器，糖尿病患者只需將這種傳感器植于表皮組織之下，然后根據傳感器的電子讀數就可以隨時監控自身的血糖水平，同時可以向自己的主治醫師傳送實時的監測報告。

　　4、人體的射頻阻抗無創測量血糖值

　　根據射頻阻抗的理論，當施加波長比紅外線更長的電磁波對人體進行輻射時，因為葡萄糖是一種非離子可溶性的物質，它將吸收一定頻率的電磁波，提取被吸收的頻率的電磁波的特征值，進行定量的分析在理論上是可以由此得出血液的葡萄糖含量的。雖然在理論上這種測量方法是成熟可行的，但是在實際操作中，因為體液中還含有其他多種非離子可溶性物質，它們也會吸收電磁波，因此如何對應頻率的葡萄糖吸收特征值分離及提取，得到確定的譜線分析是這種方法能否實際操作的關鍵。但目前該項目僅處于試驗室研究階段，相關資料未表明何時能進展到臨床試驗階段。

　　5、利用能量守恒原理

　　進行無創血糖的測量人體內物質代謝過程就是能量代謝的過程，葡萄糖作為人身體主要的能源供給物質，在氧氣供應充足的情況下，肌體內會產生葡萄糖氧化反應，在這個化學方程式中，作為主要能源物質的葡萄糖的濃度變化會相應地引起人體代謝的變化，從而影響到人體體溫等生理參數發生變化。因此Ok Kyung Cho等人做出以下假設：

　?、偃梭w產熱=人體散熱；

　?、谌梭w處于靜息狀態，對外做功等于0；

　?、廴梭w所產生的熱量可以通過血糖濃度和氧容量等生理參數來進行描述；

　?、苎跞萘咳Q于血紅蛋白濃度、血氧飽和度和毛細血管的血流量；

　?、萆嶂饕绞绞菬醾鲗?、熱對流和熱輻射。

　　根據以上的五種假設，又依據能量守恒原則可得出以下結論：代謝產生的熱量是血糖水平和氧容量的函數，氧容量是動脈血氧飽和度及血液流速的函數，脈搏跳動率作為一個參數來修正，因此只要測量出代謝產生的熱量、血液流速、血氧飽和度和脈率就可以推算出人體血糖的水平。用這種方法測量人體血糖值，首先是采用相關理論建立人體表面對流換熱的數學模型，根據人體熱平衡數學模型，計算出人體局部（例如手指）代謝率，然后根據改進的熱清除法計算出人體局部的血流速度，最后根據能量守恒建立其整體的數學表達式。

　　6、利用唾液進行無創血糖檢測

　　此種方法利用唾液進行葡萄糖含量的檢測。一些臨床醫學研究數據表明血糖濃度與唾液中所含的淀粉酶成正比，所以通過測量人體口腔中唾液含淀粉酶的多少能夠間接地知道被測體血糖濃度的高低。這種血糖的檢測方法最主要的技術難關是對高靈敏度、高特異性的試紙進行開發，并且對檢測裝置的靈敏性也有較高的要求。

　　7、超聲波血糖檢測儀

　　超聲波血糖檢測儀的原理是使用超聲波發射儀器向皮膚發出一個低頻超聲光束，因為超聲光束對人體內不同物質的穿透性，利用超聲回波的反射結果就可以知道血液中葡萄糖分子的含量。美國研究人員新近研制成一種無痛測量糖尿病患者血糖值的超聲波檢測儀器，這種超聲測試儀的準確率幾乎與傳統的采血檢測法相似。由于是無痛測試，該儀器受到了糖尿病患者的普遍接受。此儀器利用糖尿病患者的超聲波反射值的不同來定量檢測人體的血糖含量，并可在4 小時內每15 分鐘測量一次。雖然儀器準確高效，但是其結果的穩定性并未得到相關醫療部門的認可。

　　8、聚光斷層攝影（Optical coherence Tomography）

　　OCT 技術在1991 年由Fujimoto 等人提出后，廣泛用于醫學影像及診斷。這種技術的原理是利用光線的聚集來對皮膚作斷層掃描攝影，攝影后的結果會顯示出不同組織的不同葡萄糖含量，因為每種組織中所含的葡萄糖有著不同的聚光折射指數從而能算出被測體的血糖值。研究表明，高解析度的聚光斷層攝影技術可探測毫米級深度的組織，以此來減少表皮層對訊號的干擾。一項對健康受試者的研究表明，血液游離葡萄糖值的變化與OCT 訊號有很大的相關性，并且對血液葡萄糖含量的變動非常敏感，但是其對測量值的穩定性還需在糖尿病患者身上作進一步的研究。

　　9、旋光法無創血糖測量

　　旋光法無創測量血液葡萄糖值是根據光的偏光特性，通過測量透射光（或反射光）的偏轉角，來得出人體的血糖濃度。

　　10、光聲光譜法與激光拉曼光譜法

　　測量血糖光聲光譜測量方法的原理是利用近紅外激光脈沖與人體組織間的相互熱作用而測量溫度變化從而反映人體組織成分的一種方法。

　　首先將近紅外激光脈沖射入人體，人體組織的內部結構會由于不同種成分的分子對光的吸收作用不同而導致細微的局部變熱，當溫度持續升高引起快速的熱膨脹后，放置于組織表面的溫度和壓力傳感器就能檢測到超聲壓力波，即光聲信號。利用不同組織成分散發出的光聲信號的幅度與頻率的不同關系就可以檢測出組織內部某種特定成分的含量。該方法具有靈敏性較高的特點，但其對組織內部結構的變化比較敏感，因而需要一個高靈敏度的體外傳感器對檢測器。

　　目前，光聲光譜方法在離體研究方面非?；钴S，但研究成果僅有少量發表。當激光拉曼光譜作用于葡萄糖時會發生拉曼散射效應，即產生微弱的斯托克斯線（stokes line）和反斯托克斯線（antistokes line）。按照光量子理論，當入射光子和一個處于初態能級的分子作彈性碰撞后，光子與分子之間根據動量定理將發生能量交換，光子不僅會改變運動方向，還把一部分能量傳遞給被碰撞的分子，或從分子取得一部分能量用于本身的運動方向改變。由于拉曼散射光與瑞利散射光的頻率之差（拉曼位移）和被撞分子的振動頻率與所處能級有關，因此拉曼位移是表征物質分子振動與轉動能級的一個物理量。激光拉曼光譜法就是利用該原理測得拉曼光譜的數據從而分析得到人體血液中葡萄糖的濃度。

　　但是該方法有很多限制因素，由于生物組織的吸收和散射效應，普通的測量方法對檢測拉曼信號極其困難，另外激光效應下產生的蛋白質類分子的背景熒光信號強度常常與拉曼信號相當。所以拉曼方法一般選用眼前房作為最佳測量部位，因為對眼睛的安全輻射劑量限制很大，導致入射光能較小，使能檢測到的拉曼信號更加微弱。因此目前的研究狀況顯示，應用拉曼光譜方法對人體內成分檢測領域的研究還處于起步階段。

　　11、紅外光譜法

　　無創血糖測量紅外光按波長不同可劃分為若干個區域，波長780nm～2500nm 的區域稱為近紅外區，波長2500nm～25000nm 的區域稱為中紅外區。在目前的無創血糖測量方法中紅外光譜法是目前使用最廣泛的無創血糖測量方法，主要通過人體對近紅外線、中紅外線或遠紅外線的分析，從頻譜中提取血液的葡萄糖含量。