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寻找无创糖尿病诊断和监测的关键

　　全球超过4.2亿人口，约占人口总数的8.5%，都受到糖尿病影响——这是一种慢性疾病。在过去的30年中，随着越来越多的发展中国家经历了城市化的发展和采用西方的饮食习惯，糖尿病的发病率几乎翻了一番。

　　无创检测

　　治疗糖尿病需要持续的监测和保养，这给患者群体以及他们的家庭带来了沉重的负担。此外，糖尿病的持续增长对国家经济和医疗系统造成了很大的负担。

　　目前糖尿病的诊断标准和治疗方法是繁重和具有侵入性的，但医学传感技术的最新进展使无创糖尿病检测和血糖监测在医学研究人员范围内得以实现。

糖尿病诊断和治疗的现行标准

　　糖尿病的诊断和持续管理目前需要直接测量血糖或糖化血红蛋白水平。医疗专业人员使用的方法有几种，包括随机或空腹血糖测试和葡萄糖耐量试验。这些方法大部分指安培检测法，因为血糖对试剂的反应会产生一个小的电荷，与样品中糖的含量成比例。这种方法在实验室环境下是非常准确的，而且也很好理解和标准化。

　　尽管目前的检测方法是被人们所接受的，但它们仍然给世界各地的医学专业人士和患者带来了许多问题。在某些文化中，可能会出现关于血液引出的社会限制或禁忌，难以保证患者的依从性。血液样本也不稳定，需要冷藏。这可能是发展中国家的一个重大问题，特别是在农村地区，那里可能制冷和电力供应不便。

　　慢性糖尿病的治疗需要患者每天频繁监测血糖水平。这包括收集一个血液的小样本，通常用采血针刺破手指。这是一个痛苦的过程，如果糖尿病抑制了治疗能力可能会导致额外的并发症，患者必须每天进行重复。

　　虽然手持式血糖监测仪在全世界范围内越来越容易获得（约占目前为消费者销售的所有生物医学传感器的85%），但血糖监测仍然被认为是需要测试试纸的手动过程。

　　除了温度、湿度等环境因素能影响测试结果外，这些血液测试仪在任何情况下都无法提供精确的测量。

无创血糖测试研究

   由于葡萄糖检测的重复性和侵入性，以及世界范围内血液检测存在的困难，研究人员急切地寻找非侵入性的标准安培检测方法。研究人员分析了许多替代方法，包括基于碳纳米管的方法和电化学测试。最近的重点转移到利用拉曼光谱和近红外吸收的光学检测方法。

　　即使在研究近红外光谱的研究人员中，也有许多研究的途径。除了血糖、糖化蛋白（即结合葡萄糖的蛋白）可以在指甲和头发、尿液以及眼睛的房水内检测到。

　　研究中最有希望的两种方法包括使用近红外光直接通过皮肤测量血糖，具有与脉搏血氧计相同的功能设计。指甲作为测试样本是另一种正在研究中的方法。

　　在开发一种新的糖尿病无创测试协议时，研究人员所面临的最大障碍是开发标准化的理解结果模型。测量参数必须考虑到线性吸收率，吸收模式和无数其他科学家和医生必须了解的因素，以便开发用于解释和预测光谱响应的标准化和可重复的模型。人类特征之间也存在差异，这些差异也必须被中和，以允许新协议的标准化。

近红外与诊断窗口

　　许多用于生物医学应用的光学感测技术都围绕着近红外线，因为一种被研究人员称为光学窗口或诊断窗口的特殊现象。

　　人体组织对光的吸收与波长有关。DNA和蛋白质吸收紫外（UV）光谱，红外范围被水高度吸收，可见光被血液中的血红蛋白吸收。然而，在可见光谱的最后，并且在650nm和1100nm之间的近红外（NIR）范围内，血红蛋白或水几乎没有吸收，并且散射小于UV和可见光范围。最重要的是，可以在这个范围内对活体使用光而不会对组织造成任何损害。

　　尝试这样：在一个黑暗的房间里，个人可以通过手掌照射强光。他们会在手背上观察到一个红色光点。他们看到的是可见光谱的尾端，红光在650-750 nm之间，属于650-1100 nm的光学诊断窗口。通过这个光学诊断窗口，研究人员和医生可以看到身体内部。

　　杜克大学的Frans Jobsis博士在他1977年的具有里程碑意义的研究中表明，脱氧和氧合组织在近红外光谱中显示出不同的吸收特性。从那时起，近红外光谱就被用于研究代谢疾病，如癌症，心血管疾病，糖尿病，神经障碍以及其他几种困扰社会的疾病。

近红外拉曼光谱

　　关于光学生物传感器发展的最新实验中，将Vis / NIR范围内可用的光学窗口与拉曼光谱学的分子指纹特征相结合。虽然这种技术的潜力非常有希望，但增加的拉曼分析的复杂性增加了开发标准化诊断模型的障碍。

糖化指甲蛋白对糖尿病检测的适用性

　　生物医学设备开发商正在争相展示血液监测技术的下一波进展，因为葡萄糖测试对日益增长的糖尿病人群至关重要，并且还因为葡萄糖传感器的需求占生物传感器市场的85％。

　　一个学术研究涉及糖化角蛋白的测定。角蛋白，构成头发和指甲的蛋白质，可以与葡萄糖结合。该糖化与血糖水平随时间呈线性关系。糖尿病诊断的光谱模型的研究人员选择指甲，因为糖尿病患者指甲特征的差异可观察。开发标准化模型时指甲是比较好的选择，因为其生长速率变化比头发少。

　　这种方法中使用指甲剪，可以提高糖尿病初步诊断的检测，特别是在发展中国家。可以无痛苦地收集指甲，无需特殊训练。此外，与体液如血液相比，手指甲的文化和心理态度是宽松的；并且由于指甲稳定，所以它们可以在不冷却的情况下储存数周，而不损失样品的活性。

　　将指甲样品研磨并与用于测试的反应试剂混合。由于指甲对这些反应剂没有很好的渗透性，所以样品需要准备时间以及可能进一步的处理。这种方法虽然微创，但仍然需要专业的样品制备，应由经过培训的人员在实验室进行，不幸的是不适合家庭葡萄糖监测。

通过耳垂透射实现家庭使用

　　研究人员还在研究透射率测量技术，这对家庭监测应用是非常完美的。耳垂透光率测量实际上需要同时施加到耳垂的波长的组合。衰减的光被耳朵的任一侧上的传感器捕获。首先，将绿色可见光的反射率用于确定皮肤参数，例如组织厚度。然后使用红光透射率/吸收度来确定血容量，最后使用NIR波长来测定葡萄糖浓度。

　　这种方法显示了很好的前景，因为它是一个简单的设计，包括用于耳垂的夹子，它与光纤光谱仪相连，对于没有任何特殊训练的人相对比较容易。另外，简易的设计和无需样品准备意味着它可以由任何人执行，不需要实验室监督。

克服光学葡萄糖监测的障碍

　　对于目前正在研究的许多诊断方法，完全测试验证的主要障碍是研究人员解决个体差异以便为分析结果创建一个标准化模型的能力。这些专家和科学家的研究使我们每天离廉价、无创和准确的血糖监测方案的现实更进一步。

　　虽然不可能预测新技术或方法何时获得联邦药物管理局（FDA）或相关医疗认证机构的批准，但可能性变得更加现实。由于医生、科学家和研究人员在这些令人兴奋的光学测试方法上的工作，糖尿病患者在不久的将来将不再需要经受痛苦的血液测试。