家用無創(chuàng)血糖儀光學(xué)濾光片詳解

對(duì)于數(shù)百萬的糖尿病患者而言，日常的血糖監(jiān)測是管理健康的重要一環(huán)。傳統(tǒng)的指尖采血方式雖然準(zhǔn)確，但帶來的疼痛感和不便性促使人們追求更舒適的技術(shù)，那就是無創(chuàng)血糖監(jiān)測，因此開發(fā)出了新一代家用無創(chuàng)血糖儀，在這項(xiàng)看似簡單的技術(shù)背后，其根本最核心的元件，莫過于我們常見的光學(xué)篩子--濾光片。

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

一、從“有創(chuàng)”到“無創(chuàng)”的變革

血糖，即血液中的葡萄糖，是人體能量的主要來源。對(duì)糖尿病患者來說，由于胰島素功能異常，血糖水平容易失控。長期高血糖會(huì)損害血管和神經(jīng)，導(dǎo)致一系列嚴(yán)重并發(fā)癥。因此，頻繁、規(guī)律的血糖監(jiān)測是有效控制病情的關(guān)鍵。

二、無創(chuàng)測量的夢想

傳統(tǒng)血糖儀需要刺破指尖獲取血樣進(jìn)行生化分析，屬于“有創(chuàng)”檢測。無創(chuàng)血糖儀的目標(biāo)是在不損傷皮膚的情況下，通過物理手段間接測量血糖濃度。目前主流的技術(shù)路徑之一是光學(xué)測量法，其靈感來源于我們熟知的經(jīng)驗(yàn)：在強(qiáng)光下，耳朵會(huì)顯得透紅，因?yàn)檠褐械奈镔|(zhì)對(duì)光有吸收作用。

1.無創(chuàng)血糖儀的光學(xué)原理——光與血糖的“對(duì)話”

無創(chuàng)血糖儀的光學(xué)原理核心是光譜分析技術(shù)，具體來說，常采用近紅外光譜法。

為何是近紅外光？人體組織（皮膚、肌肉、脂肪等）和血液中的各種成分（水、血紅蛋白、葡萄糖等）對(duì)不同波長的光具有獨(dú)特的“吸收指紋”。近紅外光（波長約780nm-2500nm）相較于可見光，具有更強(qiáng)的組織穿透能力，能夠到達(dá)皮下微血管豐富的真皮層。

2.核心原理：特征吸收指紋與朗伯-比爾定律

葡萄糖分子在近紅外區(qū)域，特別是在1500nm-1800nm以及2000nm-2500nm的波段（屬于短波紅外），有多個(gè)特征吸收峰。這些吸收峰是葡萄糖分子中C-H（碳-氫）、O-H（氧-氫）等化學(xué)鍵的振動(dòng)倍頻和合頻產(chǎn)生的，如同其獨(dú)特的“指紋”。根據(jù)朗伯-比爾定律，物質(zhì)對(duì)特定波長光的吸收量與其濃度成正比。因此，理論上通過測量葡萄糖特征吸收峰上的光強(qiáng)衰減，就能推算出其濃度。

3.巨大挑戰(zhàn)：信號(hào)的提取

最大的技術(shù)難點(diǎn)在于，葡萄糖的吸收信號(hào)極其微弱，而人體組織約70%是水，水在近紅外區(qū)域有非常強(qiáng)烈的、寬泛的吸收帶（例如在1450nm和1940nm附近）。葡萄糖的信號(hào)就像是巨大瀑布聲中一滴水的聲音，如何將其精準(zhǔn)地分離出來，是技術(shù)成敗的關(guān)鍵。

三、光學(xué)系統(tǒng)的核心元件

實(shí)現(xiàn)上述原理，一個(gè)典型的無創(chuàng)血糖儀光學(xué)系統(tǒng)主要由以下元件構(gòu)成：

1.光源：負(fù)責(zé)產(chǎn)生穩(wěn)定的近紅外光。常用的是發(fā)光二極管或小型激光器。

2.光學(xué)透鏡：用于準(zhǔn)直和聚焦，確保光線高效射入皮膚并匯聚到探測器。

3.濾光片：這是整個(gè)系統(tǒng)的“光譜篩選器”和技術(shù)的“守門人”。它的作用是從復(fù)雜的光信號(hào)中，精準(zhǔn)地“挑選”出與葡萄糖吸收相關(guān)的特定波長光，同時(shí)剔除無關(guān)的干擾光。沒有它，儀器就無法獲得純凈的血糖特征信號(hào)。

4.光電探測器：將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)。

5.信號(hào)處理電路與算法：將電信號(hào)放大、數(shù)字化，并運(yùn)行核心算法，最終計(jì)算并顯示血糖值。

四、濾光片元件深度解析——技術(shù)的“守門人”

為了解決信號(hào)提取的難題，濾光片采用了一種精妙的策略：多通道測量法。

測量通道：選擇一個(gè)或幾個(gè)位于葡萄糖特征吸收峰上的波長作為測量通道。例如，選擇一個(gè)在1600nm或2100nm附近的波段，此處葡萄糖有相對(duì)明顯的吸收。

參考通道：選擇一個(gè)或幾個(gè)靠近測量通道、但葡萄糖幾乎不吸收的波長作為參考通道。例如，選擇1300nm附近的波段。參考通道的核心作用是監(jiān)測由皮膚厚度、膚色、血流變化、水分波動(dòng)等共同因素引起的光強(qiáng)變化。

信號(hào)處理：儀器通過快速切換濾光片，分別測量不同通道的光強(qiáng)衰減。通過計(jì)算測量通道與參考通道信號(hào)的比值或差值，可以抵消掉大部分共同干擾，從而提取出主要?dú)w因于葡萄糖濃度變化的微小信號(hào)。

舉例說明：

假設(shè)一臺(tái)儀器使用了三個(gè)濾光片：

濾光片A（測量通道1）：中心波長1600nm。此波段對(duì)葡萄糖濃度敏感。

濾光片B（參考通道）：中心波長1300nm。此波段葡萄糖吸收很弱，主要用于補(bǔ)償背景干擾。

濾光片C（測量通道2）：中心波長2100nm。此為葡萄糖另一個(gè)吸收峰，用于交叉驗(yàn)證。

測量時(shí)，算法會(huì)分析`(A/B)`或`(A-B)/C`等組合信號(hào)與血糖濃度的相關(guān)性模型，最終得出血糖值。

（BP1600濾光片）

應(yīng)用的主要濾光片類型

在家用無創(chuàng)血糖儀中，帶通濾光片是絕對(duì)的主力。它只允許一個(gè)特定波長范圍（即“通帶”）的光通過，通帶之外的光則被強(qiáng)烈抑制。通過集成多個(gè)不同中心波長的帶通濾光片，即可實(shí)現(xiàn)上述多通道測量方案。

關(guān)鍵性能參數(shù)與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

濾光片的性能直接決定了儀器的準(zhǔn)確度，其主要參數(shù)包括：

中心波長與精度：必須與選定的葡萄糖特征吸收峰（如1600nm）精確匹配，偏差通常要求小于±1-2納米。

帶寬：指通帶最大透射率一半處的寬度。帶寬越窄，抗干擾能力越強(qiáng)，但通光量會(huì)減少。家用儀器通常在10-30納米的帶寬范圍內(nèi)取得平衡。

峰值透射率：在中心波長處的最大透光效率。越高越好，優(yōu)質(zhì)濾光片可達(dá)到90%以上，以減少信號(hào)損失。

截止深度：在通帶之外波長區(qū)域?qū)獾囊种颇芰?。要求光學(xué)密度OD>4（即透射率<0.01%），以確保有效隔離強(qiáng)干擾光（如水的吸收帶）。

環(huán)境穩(wěn)定性：濾光片的中心波長和透射率應(yīng)具有良好的溫度穩(wěn)定性，確保在不同使用環(huán)境下測量的可靠性。

家用無創(chuàng)血糖儀是光學(xué)技術(shù)造福人類健康的典范。從識(shí)別葡萄糖在近紅外區(qū)的“特征指紋”，到運(yùn)用濾光片這一“光譜手術(shù)刀”巧妙地實(shí)施多通道測量策略，剝離出微弱的血糖信號(hào)并抵消強(qiáng)大的背景干擾，每一步都凝聚著精密光學(xué)的智慧。濾光片作為系統(tǒng)中看似微小卻至關(guān)重要的“守門人”，其性能的每一次提升，都直接推動(dòng)著家用無創(chuàng)血糖儀向著更準(zhǔn)確、更可靠、更普及的方向發(fā)展，讓無痛監(jiān)測的夢想更好地照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，最終提升廣大糖尿病患者的生活質(zhì)量。