對于數百萬(wàn)的糖尿病患者而言，日常的血糖監測是管理健康的重要一環(huán)。傳統的指尖采血方式雖然準確，但帶來(lái)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(wú)創(chuàng )血糖監測，因此開(kāi)發(fā)出了新一代家用無(wú)創(chuàng )血糖儀，在這項看似簡(jiǎn)單的技術(shù)背后，其根本最核心的元件，莫過(guò)于我們常見(jiàn)的光學(xué)篩子--濾光片。

（圖源網(wǎng)絡(luò )，侵刪）

一、從“有創(chuàng )”到“無(wú)創(chuàng )”的變革

血糖，即血液中的葡萄糖，是人體能量的主要來(lái)源。對糖尿病患者來(lái)說(shuō)，由于胰島素功能異常，血糖水平容易失控。長(cháng)期高血糖會(huì )損害血管和神經(jīng)，導致一系列嚴重并發(fā)癥。因此，頻繁、規律的血糖監測是有效控制病情的關(guān)鍵。

二、無(wú)創(chuàng )測量的夢(mèng)想

傳統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(wú)創(chuàng )血糖儀的目標是在不損傷皮膚的情況下，通過(guò)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(lái)源于我們熟知的經(jīng)驗：在強光下，耳朵會(huì )顯得透紅，因為血液中的物質(zhì)對光有吸收作用。

1.無(wú)創(chuàng )血糖儀的光學(xué)原理——光與血糖的“對話(huà)”

無(wú)創(chuàng )血糖儀的光學(xué)原理核心是光譜分析技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)，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）對不同波長(cháng)的光具有獨特的“吸收指紋”。近紅外光（波長(cháng)約780nm-2500nm）相較于可見(jiàn)光，具有更強的組織穿透能力，能夠到達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，如同其獨特的“指紋”。根據朗伯-比爾定律，物質(zhì)對特定波長(cháng)光的吸收量與其濃度成正比。因此，理論上通過(guò)測量葡萄糖特征吸收峰上的光強衰減，就能推算出其濃度。

3.巨大挑戰：信號的提取

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

三、光學(xué)系統的核心元件

實(shí)現上述原理，一個(gè)典型的無(wú)創(chuàng )血糖儀光學(xué)系統主要由以下元件構成：

1.光源：負責產(chǎn)生穩定的近紅外光。常用的是發(fā)光二極管或小型激光器。

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

3.濾光片：這是整個(gè)系統的“光譜篩選器”和技術(shù)的“守門(mén)人”。它的作用是從復雜的光信號中，精準地“挑選”出與葡萄糖吸收相關(guān)的特定波長(cháng)光，同時(shí)剔除無(wú)關(guān)的干擾光。沒(méi)有它，儀器就無(wú)法獲得純凈的血糖特征信號。

4.光電探測器：將接收到的光信號轉換為微弱的電信號。

5.信號處理電路與算法：將電信號放大、數字化，并運行核心算法，最終計算并顯示血糖值。

四、濾光片元件深度解析——技術(shù)的“守門(mén)人”

為了解決信號提取的難題，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(cháng)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(cháng)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變化。

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

舉例說(shuō)明：

假設一臺儀器使用了三個(gè)濾光片：

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

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

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

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

（BP1600濾光片）

應用的主要濾光片類(lèi)型

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

關(guān)鍵性能參數與應用標準

濾光片的性能直接決定了儀器的準確度，其主要參數包括：

中心波長(cháng)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，但通光量會(huì )減少。家用儀器通常在10-30納米的帶寬范圍內取得平衡。

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

截止深度：在通帶之外波長(cháng)區域對光的抑制能力。要求光學(xué)密度OD>4（即透射率<0.01%），以確保有效隔離強干擾光（如水的吸收帶）。

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

家用無(wú)創(chuàng )血糖儀是光學(xué)技術(shù)造福人類(lèi)健康的典范。從識別葡萄糖在近紅外區的“特征指紋”，到運用濾光片這一“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并抵消強大的背景干擾，每一步都凝聚著(zhù)精密光學(xué)的智慧。濾光片作為系統中看似微小卻至關(guān)重要的“守門(mén)人”，其性能的每一次提升，都直接推動(dòng)著(zhù)家用無(wú)創(chuàng )血糖儀向著(zhù)更準確、更可靠、更普及的方向發(fā)展，讓無(wú)痛監測的夢(mèng)想更好地照進(jìn)現實(shí)，最終提升廣大糖尿病患者的生活質(zhì)量。