无创血液成分检测发展现状

无创血液成分检测发展现状

陈筱霞史恩祥

陈筱霞史恩祥（解放军第251医院075000）

【摘要】根据我国国情，社会对无创、快速、有效、便捷和低成本的血液成分检测有着急切的需求，无创血液成分检测无疑是未来发展的方向。本文阐述了国内外基于光学、光谱技术无创血液成分检测技术和其发展现状，分析了目前无创检测技术可能面临的临床问题和发展方向。

【关键词】血液成分；无创；光学；光谱技术

近年来，随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，人民对健康的关注程度越来越高。但由于大量人群存在饮食习惯、生活方式的不合理以及环境污染，代谢综合征、糖尿病、高脂血症以及血液系统疾病等发病率显著增加。根据2010年国际著名医学期刊《新英格兰医学杂志》的调查，我国已有9200万糖尿病患者，1.48亿糖尿病前期患者，跃居世界首位。据世界卫生组织报告，目前全球约有20亿的各类贫血患者。这些慢性疾病和代谢疾病已经严重威胁到人民的健康，也对我国全民生活质量带来影响，预防、早发现和早治疗对控制病情发展，延长患者寿命有着重要意义。

当前，在各种有效预防和治疗这些病症的手段中，经常性或有规律地监测血糖、血脂、血红蛋白等指标的水平，对于及时判断病程发展，指导诊断和治疗具有重要的临床意义。目前医疗机构的检验手段是采集患者的血液标本并进行生化分析，属于有创检测。有创检测不仅给病人带来痛苦和感染的风险，也会因采集和检测中的时间差导致医生无法及时的做出诊断，同时血液标本本身和试验过程中所使用的试剂还会污染环境。

结合我国医疗服务的发展形势，无创、快速、有效、便捷和低成本的血液成分检测已经成为国家、医院和患者共同的迫切需求。光学技术的发展为广大科研者开辟了一片广阔的天地，基于光学、光谱学的无创血液成分检测，则以其安全、快速、低成本、无污染的特点引起人们极大的关注。然而到目前为止，除血氧、血红蛋白检测[1]外，尚没有其他血液成分无创检测产品的出现，无创血液成分检测作为国际前沿热点课题之一，已经成为世界上各大研究机构激烈竞争领域。

本文重点阐述了国内、外主流基于光学、光谱学技术的无创血液成分检测方法和其发展现状，并讨论了可能存在的问题和其发展方向。

1无创血液成分检测技术

光是一种理想的无创检测的信息载体，光学检测以其方便、无痛以及原理上高速、高精度、信息多维化等特点，成为最具有应用前景的检测手段。在近十年的研究中，血液无创检测的研究多集中在光学方法上。国内发展较快且有效的光学检测方法主要包括荧光法、近红外光谱法和中红外光谱法等等。

1.1荧光法

血液的成分比较复杂，其中存在着大量能发射荧光的基团，当这些基团处于激发态时，可通过辐射弛豫发射荧光。因此血液的激发荧光内容十分丰富，其荧光光谱图表征荧光强度与荧光波长的关系，不同血样经激发所能发出的荧光强度与荧光波长均有差异，利用此差异可对血样各种成分进行分析。赵志敏等[2]应用荧光技术分析人体正常血液与血糖、血脂及胆固醇异常血样的光谱差异，方法操作简单、分析方便，为血液检测分析提供了一种新的途径。但目前仅停留在离体血样的定性分析，未进行定量分析。

凌明胜等[3]通过对不同葡萄糖浓度的全血、血清和不同浓度的红细胞溶液进行系列荧光光谱实验，发现全血存在明显荧光特征峰，并确定由血细胞和糖分引起的特征位置，且全血和血清中此位置处峰值强度均随血糖浓度变化而规律性变化。实验结果为进一步无创血糖荧光检测打下了基础。

荧光内容丰富性带来血液成分分析的复杂性，此外，荧光方法仍有一些限制条件如分辨率、时间、生物适应性等问题需要解决。

1.2近红外光谱法

近红外光是指波长为700～2500nm的光。血液大分子中存在着C-H、N-H、O-H化学结构，当近红外光照射这些结构时，其光谱特征随之发生变化，根据已知样品的光谱信息和各成分浓度，建立一个数学模型，并利用该模型根据样品的光谱来预测血液中各成分的浓度。红外光谱技术是一种间接测量技术，以朗伯-比耳(Lambert-Beer)定律为基础，利用各种成份光吸收特异性来测量。

Norris[4]在1991年的第4届国际近红外光谱学会议上，发表了“近红外在医学上的可能应用”，激发了近红外光谱工作者研究无创血液成分检测技术的热情，近红外光谱被迅速应用于无创医学生化检测研究中。近红外光对于体液和软组织具有较好的穿透性，是较为理想的光学检测方法。随着计算机技术和化学计量理论的发展，近红外光谱定量分析的灵敏度、准确性和可靠性都有较大提高。近红外光谱法(nearinfrared,NIR)成为了目前这些光学方法中最主要的研究方法[5,6]已进入在体检测实验阶段，取得的进展也是最为显著的。近红外光谱测量根据接收方式的不同可以分为漫反射测量和透射测量。

在无创血红蛋白检测的研究上，Masimo公司的Rainbowset技术的无创、持续性血红蛋白测量仪器已经于2008获得美国FDA许可，2009年全面进入市场[7]。这是继血氧无创检测后，又一种血液成分无创检测的实现。

我国科研人员也在此领域有重大突破，李刚教授提出动态光谱无创检测法，并对血糖、血红蛋白等物质进行了临床检测，取得良好效果[8]；陈星旦院士论证了基于此方法的可行性[9]，骆清明教授实现了简易的无创血糖检测装置，目前处于实验室阶段[10]。

虽然近红外光谱法是无创血液成分检测最好的发展方向，但是由于被测对象是人体，存在一系列复杂因素的影响。离体实验结果分析一般可以获得较满意的结果，在体检测结果却与临床精度要求差距较大；只有解决这些问题，近红外光谱法的无创血液成分检测才能真正的实现临床应用。

1.3中红外光谱

相对于近红外而言中红外在无创血糖检测中的研究较少，主要是由于水的强烈吸收，中红外光很难穿过皮肤进入内部组织，所以中红外对组织的穿透性弱，而且采集中红外光谱比较难于实现，因而采用测量其热辐射光谱。但中红外波段葡萄糖的吸收受到其它物质的干扰量小，中红外的吸收峰窄，信息提取更容易。

2存在问题

目前光学无创血液成分检测方法中还没有一种方法能够达到国家要求的临床标准。其技术发展难度和制约测量精度的主要问题有以下几个方面：

①人体组织的复杂性：人体是个负责的系统，人体组织也随着时间和空间的变化而变化。人体血液中目前可检测的成分高达600种以上，光谱探测时存在着不同成分间和血液成分与其他成分间的干扰。这些影响是不可避免的，国内有些学者已采取一些外部条件改善组织复杂性带来的影响。

②个体差异严重：人体组织因人而异，同一个体的不同位置组织成分也不同。许多学者在数据建模处理时，仅针对个体来建模取得较好的结果，但此模型往往不具有普适性，换到另一个体即无法使用。个体差异是测量精度提高的一个瓶颈问题。很多学者为避开选择个体差异问题，选择了个体差异不明显的部位(如手指、眼睛、口腔粘膜等)。利用非血液成分如眼房水、唾液与血糖的相关性测量血糖属于间接测量，能否正确反映血糖值，是否存在个体差异有待进一步研究。

③信号微弱：血液中主要含量是水，其他各种成分含量相对较少，因此带给光信号的变化较小。尤其在被测量含量较低时，检测到的光谱信号非常微弱弱，且受到其他成分的干扰。要精确检测生化成分变化信息，需要提高测量信号的信噪比。因此，光源的选择、稳定性，检测原理，信号传感与检测电路，信号处理和分析综合每一个环节都需要优化来提高检测精度。

④测量条件：临床实验表明，患者接受测试时，无法按照要求保持接触压力稳定，测量部位不变，也难以控制测量的环境温度和组织温度。而压力、位置、温度等都是影响检测精度的原因，均会给无创检测带来误差。

3发展方向

根据以上的血液成分检测的国内外研究进展以及光学方法的难点分析可以看出，光谱无创检测方法是能够实现无创血液成分检测的。但提高检测的灵敏度、消除各种噪声干扰、减小个体差异和测量条件的影响是实现无创血液成分检测的首要解决的问题，此外，数据处理建模方法也应该受到极大的关注，利用这些方法不但可以消除不必要的基线漂移而且可以降低温度的影响提高信噪比。

参考文献

[1]总血红蛋白无创检测仪.http://www.masimo.it/hemoglobin/index.htm,2009.

[2]赵志敏,陈玉明,俞晓磊.血液的荧光光谱特征分析及应用研究.光谱学与光谱分析,2003,23(5):922-925.

[3]凌明胜,钱志余,梁超英.血糖浓度荧光光谱检测研究.量子电子学报,2007,24(5):635-639.

[4NorrisK.PossiblemedicalapplicationsofNIR[M].Makinglightwork:Advancesinnearinfraredspectroscopy,EditedbyMurrayI&CoweIA.UK:IanMichaelPublication,1992:596-602．

[5]刘蓉,徐可欣,陈文亮,等.光学无创血糖检测中的主要问题及研究进展[J].中国科学,2007,37:124-31.

[6]JohnCPickup,FaeizaHussain,NicholasDEvans,etal.Invivoglucosemonitoring:theclinicalrealityandthepromise[J].BiosensorsandBioelectronics,2005,20:1897-1902.

[7]JanelleEBender,AllanBShang,EugeneWMoretti,etal.NoninvasivemonitoringoftissuehemoglobinusingUV-VISdiffusereflectancespectroscopy:apilotstudy.OpticsExpress,2009,17(26):23396-23409.

[8]李刚,王慧泉,赵喆,林凌.谐波分量提高动态光谱法无创血液成分检测精度.光谱学与光谱分析,30(9):2385-2389.

[9]陈星旦.近红外光谱无创生化检验的可能性.光学精密工程,2008,16(5):759-763

[10]肖君,王龙,骆清铭,龚辉.基于近红外三波长的血糖检测系统研制.光电子激光.2007,18(9):1135-1138.