劉文博, 劉 瑾, 韓同帥, 葛 晴, 劉 蓉

天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室, 天津 300072

引 言

基于近紅外漫反射光譜法的無創(chuàng)血糖測量被認(rèn)為是一種有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ā?由于短波近紅外光(1 000～1 700 nm)具有高穿透性[1], 因此可用于檢測皮膚真皮的組織間液中的葡萄糖濃度, 用于間接反映血糖濃度。 已有文獻(xiàn)表明, 皮膚中真皮組織液中葡萄糖濃度可替換靜脈血糖成為有實際臨床意義的生理參數(shù)[2]。 1 100～1 300 nm波段有葡萄糖的二級倍頻吸收, 其吸收很小, 但葡萄糖引起的組織液折射率變化較大[3], 可被用于血糖測量; 而1 500～1 700 nm波段, 葡萄糖吸收增強, 是C—H的一級倍頻吸收區(qū), 而且葡萄糖引起的折射率變化也引起較大的光強變化[4]。 因此, 兩個效應(yīng)可共同用于血糖測量。

近紅外漫反射光譜法測量血糖的原理已經(jīng)被充分地驗證, 包括大量的仿體實驗、 離體實驗和活體實驗[5]。 但目前限制該方法在臨床上實際應(yīng)用的最主要原因是測量模型無法長時間使用, 因為在長期測量中可能出現(xiàn)各種隨機干擾, 使測量產(chǎn)生偏差。 在測量中, 血糖信號微弱, 而同時發(fā)生的一些人體變動干擾可能遠(yuǎn)大于血糖信號本身, 如體溫、 姿勢變化、 皮膚血流灌注等。 因此, 目前, 無創(chuàng)血糖測量研究大多集中在降低這些干擾因素方面, 以推動該方法的實際應(yīng)用。 消除干擾的方法除了可以運用人工智能、 多變量分析等外, 更重要的是在理論上逐漸厘清這些干擾的來源, 并找到有物理依據(jù)的應(yīng)對措施。 在這些干擾中, 皮膚血流灌注是與皮膚中水分流動緊密聯(lián)系的生理參數(shù), 是影響血糖測量的重要因素[6]。 皮膚血流灌注無法像溫度、 壓力那樣通過外加手段進(jìn)行控制和干預(yù)。 因此, 研究它對血糖測量的影響機理變得非常重要。

皮膚可簡化為表皮、 真皮、 皮下組織三層結(jié)構(gòu)的模型, 真皮層是常用的目標(biāo)檢測區(qū)域。 真皮主要是以成纖維細(xì)胞及其分泌的膠原纖維為主體的液態(tài)膠狀環(huán)境, 包含彈性纖維、 網(wǎng)狀纖維、 基質(zhì)及豐富的毛細(xì)血管層等, 其水分含量高達(dá)70%左右[7]。 影響真皮的血流灌注的因素有很多, 包括環(huán)境溫度、 外界壓力、 血壓、 血氧、 心率、 姿勢、 代謝狀態(tài)和心理壓力等[6]。 皮膚血流灌注的改變影響著水的重新分配, 當(dāng)有3%水分流失會產(chǎn)生7～9 μm皮膚的變薄[8]。 人在干燥、 寒冷、 疲憊等狀態(tài)下都會發(fā)生水分的流失, 這種改變需要較長時間才能恢復(fù)至初始狀態(tài)。 這些水分含量的改變都會改變皮膚光譜, 進(jìn)而影響無創(chuàng)血糖測量的準(zhǔn)確性。 在針對彈性皮膚的測量中, 水分含量將改變真皮層的厚度。

人體皮膚厚度受年齡[9]、 BMI指數(shù)[10]這些基礎(chǔ)指標(biāo)的影響。 Tsukahara等研究發(fā)現(xiàn)晝夜皮膚組織間液受重力影響, 厚度也存在差異[11]。 Forst等通過人為改變室溫, 監(jiān)測健康人及糖尿病患者皮膚溫度及皮膚厚度的變化, 發(fā)現(xiàn)健康人及糖尿病患者皮膚溫度每升高一度, 皮膚厚度分別增加約122及125 μm[12]。 Kuranov等對豬皮進(jìn)行葡萄糖注射, 得出當(dāng)增加(277±56) mg·dL-1的葡萄糖濃度值, 皮膚厚度減小(10±7.5) μm[8]。 Groenendaal等闡述了真皮層厚度的變化會影響真皮層組織間液葡萄糖濃度與靜脈血糖之間的滯后時間及表皮層與真皮層之間葡萄糖濃度的梯度[13]。 蔣景英等采用蒙特卡洛模擬研究了耳垂組織真皮層厚度變化浮動基準(zhǔn)點位置的變化, 發(fā)現(xiàn)在真皮層厚度增加的過程中, 每個波長的葡萄糖浮動基準(zhǔn)點都有上升的趨勢[14]。

本工作針對真皮層厚度變化所引起光譜變化的特點進(jìn)行理論分析, 從不同皮膚組織層的光學(xué)參數(shù)差異、 光的穿透深度、 光程變化等多方面找到光譜變化的原因。 并針對近幾年課題組提出的差分漫反射光譜測量法, 找到最適宜的差分距離(source-detector separation, SDS), 即兩個光源-探測器距離, 消除真皮層厚度變化對測量的影響。 采用蒙特卡洛模擬, 仿真了真皮層厚度變化時在1 000～1 700 nm波段三層皮膚組織的漫反射光強、 光子穿透深度與平均光程, 分析了這些波長下的漫反射光譜變化特點, 并分別給出了最適宜的差分光譜測量距離。 本研究為無創(chuàng)血糖測量的波長和差分測量距離優(yōu)選提供了借鑒。

1 實驗部分

1.1 差分漫反射光譜測量法

采用自然對數(shù)定義漫反射光的衰減度, 并假定兩個源探距離為ρA、ρB(且滿足ρB>ρA), 兩源探距離下衰減度可表示為[15]

(1)

式(1)中,I0為入射光強,IρA、IρB分別為ρA、ρB源探距離下的漫反射光強, 若在漫反射光強中存在一個隨時間變化的光源漂移f(t), 可定義差分衰減度即

(2)

差分可以有效的消除長時間測量中漂移等因素帶來的共模干擾。

當(dāng)真皮層厚度從t1變?yōu)閠2時, 可根據(jù)兩個厚度下的差分衰減度AD, t1及AD, t2計算出差分衰減度的變化量ΔAD, t, 即

ΔAD, t=AD, t2-AD, t1

(3)

同理, 也可以采用衰減度變化量監(jiān)測血糖的變化, 即

ΔAD, Cg=AD, Cg2-AD, Cg1

(4)

式(4)中, ΔAD, Cg為葡萄糖濃度變化引起的差分衰減度變化量。 由文獻(xiàn)[16]可知, ΔAD, Cg正比于葡萄糖引起的組織的有效衰減系數(shù)變化量Δμeff, 也正比于葡萄糖濃度ΔCg。

若在血糖測量中, 同時存在真皮層厚度的變化, 則差分衰減度由兩個因素共同決定

ΔAD=ΔAD, t+ΔAD, Cg

(5)

因此, 需要選擇適宜的波長及差分距離, 使得ΔAD, t?ΔAD, Cg, 即厚度變化引起的差分衰減度小于待分辨的葡萄糖濃度的信號。

1.2 蒙特卡洛模擬及參數(shù)設(shè)置

蒙特卡洛模擬廣泛應(yīng)用于工學(xué)、 經(jīng)濟學(xué)、 醫(yī)學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域, 是以隨機抽樣理念來逼近真實情況的概率模型。 本工作使用蒙特卡洛模擬光子在多層人體皮膚組織的輸運, 仿真以接近真實人體皮膚的輸運狀態(tài)[17]。 模擬了漫反射光強、 光子穿透深度與平均光程三方面內(nèi)容。 三層皮膚光學(xué)參數(shù)參考了文獻(xiàn)[18-20], 包括表皮層、 真皮層、 皮下組織層的吸收系數(shù)μa、 散射系數(shù)μs、 折射率n及各項異性因子g; 波長范圍設(shè)置在1 000～1 700 nm, 且波段間隔為50 nm。 三層皮膚厚度參考自文獻(xiàn)[21], 選擇上臂伸側(cè)部位作為仿真部位。 因此, 建立三種皮膚厚度模式及對應(yīng)的模擬皮膚厚度參數(shù)設(shè)置見表1。 圖1為三層皮膚組織的光學(xué)參數(shù)。

圖1 蒙特卡洛模擬三層皮膚光學(xué)參數(shù)

表1 蒙特卡洛模擬皮膚厚度參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果與討論

2.1 蒙特卡洛模擬結(jié)果

圖2以8個波長為例, 給出了真皮層厚度變化引起的衰減度變化量隨源探距離的改變。 從圖2中可以看出, 在8個波長中, 1 200 nm波長下皮膚厚度變化引起的衰減度變化幅度最小, 且在各個源探距離下的相值都相近; 而1 400～1 500 nm波段, 即水的吸收峰附近, 衰減度變化較大, 且隨源探距離增加而急劇增大。 另外, 1 200和1 700 nm這兩個波長下的衰減度變化符號與其余波長相反, 如圖2(a)中, 這兩個波長處的衰減度變化為正, 而其余波長為負(fù)。

圖2 不同真皮層厚度下衰減度變化量隨源探距離分布

若采用兩個源探距離的衰減度進(jìn)行差分處理來削弱皮膚厚度變化產(chǎn)生的影響時, 需要合理選擇源探距離。 由于1 200 nm波長下衰減度幾乎不受源探距離改變的影響, 因此, 可以在儀器可檢測的源探距離范圍內(nèi)任意選取, 差分效果均不錯。 而對于其余波長, 則需要謹(jǐn)慎選取, 應(yīng)盡量避開0.1～0.4 cm這個范圍, 因為此處衰減度隨源探距離的改變而劇烈變化, 差分效果不佳。

真皮層厚度變化的實質(zhì)是本來屬于真皮層的一層組織變?yōu)榱似は陆M織層, 或者反之。 圖3(a)給出了不同波長下真皮層與皮下組織層光學(xué)參數(shù)(吸收系數(shù)、 散射系數(shù))的差值, 其中1 200 nm處吸收系數(shù)差別最小; 圖3(b)和(c)分別給出了厚度變化后衰減度ΔA、 平均光程的變化量, 可以看到不同波長下衰減度變化與吸收系數(shù)變化波形類似, 說明吸收變化是衰減度變化的主導(dǎo), 而越小的源探距離真皮層厚度對衰減度影響越小。 從光程變化來看, 絕大部分波長呈現(xiàn)光程增加的趨勢, 且越大的源探距離光程增加越多。 標(biāo)準(zhǔn)厚度下光子平均穿透深度模擬見圖3(d)。 圖3(e)為不同波長在各源探距離下真皮層內(nèi)光子所占的百分比, 若采取80%真皮光子百分比為界限, 則源探距離小于0.02 cm、 大于0.3 cm不宜采取。 圖3(f)為1 200 nm波長下四個源探距離的穿透深度所含光子的百分比, 可以發(fā)現(xiàn)光子百分比的峰值隨著源探距離的增加而右移且降低。

圖3 三層皮膚組織理論差異及相關(guān)模擬結(jié)果

圖4給出了不同厚度模式下的差分衰減度變化量(差分距離為0.03 cm), 差分光譜波形與衰減度波形類似, 在1 200 nm波長下對厚度變化也不敏感, 在1 450 nm附近出現(xiàn)峰值。 圖5為不同波長下差分衰減度變化量隨著差分選用的第一個源探距離ρA變化的分布, 可以看到各波長隨著ρA均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。 因此, 從差分衰減度變化量的角度下可以優(yōu)選出真皮層厚度變化影響小的源探距離位置,ρA選取范圍可以集中在小于0.1 cm及大于0.4 cm。

圖4 真皮層厚度變化引起的差分衰減度變化量(差分距離固定為0.03 cm)

圖5 不同波長下差分衰減度的變化量隨著差分選用的第一個源探距離ρA的變化(差分距離固定為0.03 cm)

2.2 無創(chuàng)血糖測量中的波長與差分距離選擇

無創(chuàng)血糖測量常用波長為1 200、 1 300及1 600 nm附近的波長。 其中1 200和1 300 nm主要利用葡萄糖引起的折射率變化進(jìn)行測量; 1 600 nm利用葡萄糖引起的吸收變化和折射率變化的綜合效果進(jìn)行測量[22-23]。

在測量距離的選擇方面, 由圖2、 圖5得出, 在小于0.1 cm及大于0.4 cm的源探距離范圍內(nèi)真皮厚度變化對應(yīng)的衰減度影響較小且差分消除效果較好。 但是由圖3(e)可以看出, 小于0.02 cm及大于0.3 cm源探距離下來自真皮層的光子數(shù)比例較小, 不適宜作為血糖測量。 在0.03～0.1 cm源探距離范圍, 1 200、 1 300和1 600 nm波長對應(yīng)的平均穿透深度為0.058 3、 0.066 2和0.053 cm, 均在真皮層范圍內(nèi)。 因此, 我們可以在0.03～0.1 cm范圍內(nèi)選擇測量差分距離。 由圖4可以看出, 這三個波長中, 1 200 nm受真皮層厚度變化的影響最小, 1 300和1 600 nm受到了一定的影響。 對1 300 nm, 0.07～0.1 cm差分距離下進(jìn)行測量, 真皮層厚度增加30 μm引起的ΔAD僅為2.097×10-4a.u., 滿足測量要求[24]; 而1 600 nm, 0.05～0.08 cm差分距離進(jìn)行測量, 真皮層厚度增加30 μm引起的ΔAD僅為5.027×10-4a.u., 滿足測量要求[24]。 若采用較大的差分距離, 真皮層厚度的影響將增加, 因此, 可依據(jù)儀器能達(dá)到的水平來優(yōu)選測量距離。

3 結(jié) 論

針對三層皮膚組織仿真了真皮層厚度變化時在1 000～1 700 nm波段三層皮膚組織的漫反射光強、 光子穿透深度與平均光程。 給出的1 000～1 700 nm波段的光譜規(guī)律可指導(dǎo)測量波長和測量距離的選擇, 這些結(jié)果對基于近紅外光譜法的無創(chuàng)組織成分測量都具有參考價值。

在測量波長方面, 可以看出1 200 nm可較好作為消除真皮厚度變化影響的最優(yōu)波長, 原因在于真皮層厚度的變化實際是改變了光學(xué)參數(shù), 而其中1 200 nm波長下真皮層和皮下組織層的吸收系數(shù)及散射系數(shù)差異均很小。 因此, 對于1 200 nm的波長而言, 其行走的路徑為真皮層或是皮下組織層, 并沒有太大影響; 由于真皮層和皮下組織層的含水量存在較大差異, 因此在水的吸收峰1 450 nm附近的波長對真皮層厚度變化比較敏感。 在測量距離選擇方面, 依據(jù)本工作的結(jié)果, 可以選擇最適宜的穿透深度, 以及受真皮層厚度變化影響較小的區(qū)域。 對于血糖測量而言, 我們優(yōu)選的距離為0.03～0.1 cm范圍內(nèi)的差分距離。

血流灌注對水的重分配體現(xiàn)在真皮層厚度變化, 而其本質(zhì)是影響了光譜的穿透深度及光程的大小。 其中1 200 nm是一個可選擇的波長, 它受真皮層厚度變化影響非常小, 而且可以采用它監(jiān)測葡萄糖通過影響折射率而引起的散射變化; 而對于1 300和1 600 nm而言, 它們的葡萄糖信號的靈敏度比1 200 nm稍大, 但需要謹(jǐn)慎地選擇測量距離以及距離之差, 以防引入較大的真皮層厚度變化的影響。