一种尿糖模拟检测设计与物性参数分析_曹荣哥.pdf

中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-92-三星推荐糖尿病是一种由于遗传、环境等多种因素引起的代谢性疾病，具有高血糖的临床特征，可造成对组织器官的慢性损伤，特别是能够引起眼、肾、心脏、血管以及神经等慢性病变和功能障碍，严重时危及患者生命安全。作为一种终身疾病，糖尿病主要分为 1 型糖尿病、2 型糖尿病、其它特殊类型性糖尿病和妊娠糖尿病，其中 2 型糖尿病为最常见类型，约占患病总数的 95%以上。糖尿病发展现状概述近年来，随着人民生活水平的日益提高，糖尿病的患病人数逐年升高，且年轻化趋势逐渐显著。根据国际糖尿病联盟（International diabetes federation，IDF）公布的第10 版世界糖尿病地图和 2022 年世界糖尿病报告显示，全球目前已有 5.37 亿成年人（2079 岁）患有这种疾病，占该年龄段总人口数的 10.5%，且患病人数逐年增多，预计到2030 年将增至 6.43 亿人，到 2045 年将增至 7.83 亿人。在这些患者中，患病年龄逐渐变小，以多发育于青少年和儿童的 1 型糖尿病为例，2022 年全球已有 875 万人患病，占世界人口的 0.11%，而且每年人患病数仍在不断增加，预计到 2040 年将增加到 1 350 万人。为了提供更好的医疗卫生服务，随着糖尿病患者总数量的逐年升高，全球每年用于该疾病的医疗支出也随之增加，在过去 15 年里用于糖尿病的相关支出已增加了 3 倍多，医疗支出 9 660 亿美元，占全球健康总支出的 9%。尽管如此，高额的医疗支出并不能挽救所有患者的生命，仅 2021 年全球就有 670 万糖尿病死亡病例，平均每 5 秒钟就有 1 人离世。值得关注的是，在新版的世界糖尿病地图和报告中也显示了我国糖尿病的相关信息。我国已成为全球成年糖尿病患者（2079 岁）最多的国家，患病人数已从 2011 年的 9 005 万人上升到 2021 年的 1.4 亿人，增幅达 55.6%，患病率也从 9.3%升高到 13%。若按此形势继续发展，预计到2030 年我国糖尿病患者可达 1.64 亿人，患病率达 14.8%；到 2045 年患病人数将升至 1.74 亿人，患病率达 16.4%。另外，我国糖耐量受损（Impaired glucose tolerance，IGT）和 空 腹 血 糖 受 损（Impaired fasting glucose，IFG）人数也在逐年增加，2021 年我国 2079 岁人群中约有1.7亿人伴有糖耐量受损，2 694万人伴有空腹血糖受损，相比十年前显著增高，预计未来 10 年可能会分别增至 1.9亿人和 2 950 万人，这也大大提高了糖尿病的患病风险。近行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种尿糖模拟检测设计与物性参数分析曹荣哥 李芷竹 杨 丹曹荣哥（2001），辽宁鞍山，本科在读，沈阳医学院医学信息工程学院，研究方向：医学信息工程。李芷竹（1999），辽宁葫芦岛，本科在读，沈阳医学院基础医学院，研究方向：临床医学。通信作者：杨丹（1985），河北秦皇岛，博士，副教授，沈阳医学院医学信息工程学院，研究方向：医学物理学。基 金 项 目：沈 阳 医 学 院 大 学 生 科 研 项 目（20219030）。-93-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期三星推荐些年，国民自我健康防范意识不断提高，国家在糖尿病相关方面的医疗支出也逐年增加，据统计仅 2021 年就有 1 653亿美元用于糖尿病相关方面，人均约合 1 173.5 美元，相比2011 年人均 194 美元已大幅提高，且这一开支今后还会继续增加。另外，2022年我国1型糖尿病患者共计448 480例，位列全球第四位，患者的年龄分布为：20 岁的有 66 040人，2059 岁的有 318 949 人，60 岁的有 63 452 人。可以看出，很多 1 型糖尿病的患者已步入老年阶段，也可以间接反映出我国的医疗水平和人民健康意识的提高。众所周知，糖尿病与很多疾病息息相关，尽管我国不断增加相关的医疗支出，但是由于病例总量的大幅提高，糖尿病引起的死亡病例数量还在逐年增加，已由 2011 年的 113.4 万人增长至 2021 年的 139.7 万人。另外，新冠疫情在全球仍未退去，糖尿病也会加重新冠的患病风险，据统计患有糖尿病和糖化血红蛋白水平 7%的成年人新冠入院及患危重症的概率增加 35%40%。在如此严峻的形势下，糖尿病的预防、检测与治疗等已成为社会关注的焦点，相关研究也成为科研热点。糖尿病检测方法分析目前，糖尿病的诊断与监测在临床上主要分为血糖检测和尿糖检测两大类，二者各具特点，各有优势。血糖检测就是测量患者血液中的葡萄糖含量，具有较强的准确性和可靠性，特异性区分度高。结合患者的临床表现，测量空腹和口服葡萄糖耐量试验 2 小时后静脉血浆中葡萄糖水平值已被作为糖尿病临床诊断的通用标准，正常人空腹血糖 6.1 mmol/L，糖尿病患者则 7.0 mmol/L，正常人糖负荷后 2小时血糖 7.8 mmol/L，糖尿病患者则 11.1 mmol/L。但由于当前我国推荐的血糖检测为有创操作，采样过程中有刺痛感且创口有感染风险，这在一定程度上增加了患者的精神压力。另外，糖尿病患病周期长，需要长期进行血糖监测，而检测设备价格昂贵且不易自主操作，这也增大了患者的经济负担和思想负担。尿糖检测是另一种糖尿病检测的常规方法，即测量患者尿液中的葡萄糖含量。当血糖浓度过高时，由于患者糖代谢异常，加之肾脏功能受损，使得体内葡萄糖无法被完全吸收而出现在尿液中，尿糖含量升高；相对正常人的尿液中则无葡萄糖或含量极低。这种检测是一种间接的糖量测试方法，目前多为试纸检测，精准度稍差于血糖检测，在患者血糖水平不高、尿液长时间存储于膀胱等情况下可能会出现误差，但由于样品量大、易采集，且可在一定范围内实现有效测量，同时还具备无痛、经济、便捷等特点，在糖尿病初筛或日常监测时受到广大患者的青睐。因此，本文设计了糖尿病患者的模拟尿液模型，采用物理实验的方法进行了尿糖模拟检测，并分析了不同浓度葡萄糖模拟尿液的物性参数及其关联性，得到了物性参数之间的经验规律，为便捷、准确的糖尿病检测方法的研究提供理论依据和基础。尿糖模拟检测实验设计糖尿病患者尿液中的含糖量可以在一定程度上反映出患者的身体状况，而目前我国对于尿糖浓度的检测和研究多为化学测量方法。本文基于物理学中利用分光计测量晶体棱镜折射率的原理，设计了以薄壁棱镜容器为核心的尿糖模拟检测装置。配制不同浓度葡萄糖溶液以模拟不同患病程度患者尿液，将其置于薄壁棱镜容器中形成液体棱镜，通过测量单色光在模拟尿液中的偏转角，分析其与折射率随浓度的变化关系，如图 1 所示。尿糖模拟检测核心装置为顶角=60的三棱镜形超薄光学玻璃器皿，相较于入射光在待测液中所产生的折射，器壁本身对光的折射影响可以忽略不计。当光从薄壁棱镜容器一侧入射到模拟尿液中时，将发生两次折射，出射光相对入射光的角度会发生偏转。由最小偏转角法可知，偏转角会随入射光角度的变化而发生变化；当入射角1与出射角4相等时，偏转角有最小值。根据图 1 中几何关系，光在模拟尿液中发生偏转的最小角可表示为min=21-，同时结合光的折射定律，可得光在模拟尿液中折射率为1min2sinsinsin22sinn+=。在已知薄壁棱镜容器顶角的情况下，通过测量最小偏转角min即可得到模拟尿液的折射率n。调整待测液的浓度，观察最小偏转角及折射率的变化，建立模拟尿液浓度与最小偏转角及折射率间的物理关系模型，以进一步分析模拟尿液物性参数之间的关联性。模拟尿液物性参数测量与分析实验配制葡萄糖溶液模拟糖尿病患者尿液，设置浓度为唯一变量，变化范围为 5%50%。采用 JJY 型分光计作为主要测量仪器，汞灯作为实验光源，将装有模拟尿液的尿糖模拟检测核心装置放在载物台上进行光学测试。光通过分光计平行光管入射到薄壁棱镜模拟尿液中，经两次折射后出射，旋转目镜镜筒以观测出射光。由于实验使用汞灯为复色光源，两次折射后镜筒中出现多条谱线，将观测到的第一级绿色谱线作为单色测试谱线。根据上述最小偏转角原理，旋转载物台调整模拟尿液的入射光角度，同时观测目镜中绿色谱线的移动情况。当载物台旋转到某一位置时，绿色谱线突然出现反向移动，则该处即为出射光的最小偏转角位置，读取读数盘左、右两侧游标数据，可以得到模拟尿液的图 1 尿糖模拟检测核心装置及光路图中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-94-三星推荐最小偏转角。实验采用多次测量取最小偏转角平均值min，结合薄壁棱镜容器顶角 60，计算出模拟尿液的折射率minmin60sinsin2sin222n+=。为了进一步验证该方法的准确性，使用 2WAJ 单目阿贝折射仪直接测量模拟尿液折射率，具体数据及误差值如表 1 所示。表 1 不同浓度模拟尿液的最小偏转角与折射率浓度 c最小偏转角 min计算折射率n阿贝折射仪测量折射率 n折射率相对误差 u5%24 12 261.341 01.341 40.034%10%24 56 81.350 41.347 80.189%15%25 24 541.356 51.356 10.030%20%25 51 221.362 21.362 30.010%25%26 35 561.371 61.371 00.045%30%27 1 41.377 01.377 90.070%35%27 41 141.385 41.385 60.016%40%28 14 381.392 41.390 10.164%45%28 48 321.399 41.400 10.047%50%29 26 201.407 31.407 90.045%由表 1 可以看出，通过分光计测量最小偏转角min所得的模拟尿液折射率n与阿贝折射仪所测数值n接近，相对误差u很小，说明此方法测量准确，可靠性高。同时，随着葡萄糖模拟尿液浓度c的升高，最小偏转角与折射率的数值也逐渐增大，说明溶液浓度与这两个物理量之间存在一定联系。为了进一步确定物性参数之间的关联性，根据表 1 中数据绘制了min-c和n-c曲线，即最小偏转角min和折射率n随模拟尿液浓度c的变化曲线，如图 2 所示。由图 2 可以看出，随着模拟尿液浓度c的升高，最小偏转角min和折射率n都有线性增大的趋势，通过最小二乘法分别对两组数据进行拟合，得到了min-c线性方程min0.115 1c+23.697 4 和n-c线性方程 n=0.001 5c+1.334 7，二者的拟合优度R2分别为 0.998 36 和 0.998 41，说明拟合度高，方程可靠。进一步验证两个拟合方程的准确性，选取模拟尿液的特殊情况，即葡萄糖浓度c=0，溶液为纯水时，由上述min-c线性方程可得纯水的最小偏转角0min=23.697 4，结合折射率min602sin2n+=，可以推算出水的折射率为1.334 3。同时，使用分光计直接测量纯水的最小偏转角为23 39 38，并计算出水的折射率为 1.333 9，二者近似相等。另外，将溶液浓度c=0 代入n-c线性方程也可得到纯水的折射率，这与使用阿贝折射仪直接测量的纯水折射率值 1.333 7 近似相等，说明实验所得min-c和n-c经验方程可以准确反映模拟尿液最小偏转角、折射率等参数与溶液浓度之间的关系。结束语糖尿病作为全球患病率第一的慢性疾病，患病人数正呈逐年上涨的态势。糖尿病的预防与治疗已成为大家关注的焦点，而血液或尿液中葡萄糖含量检测作为糖尿病诊断与治疗过程中必不可少的环节也成为人们研究的重点。从患者经济成本、可操作性等角度出发，设计了物理模型对尿糖检测的物性参