动态光谱检测中的相移波形误差分析

动态光谱提取自光电容积脉搏波,是与动脉血液信息高度相关的近红外光谱,可应用于动脉血液成分的无创检测,具有很好的临床应用价值.文章依据动态光谱检测理论,对检测过程中的相移波形误差进行了分析.人体正常生理活动可导致光电容积脉搏波的周期、幅值和基线的不稳定.同时在动态光谱时域检测过程中,不同波长下检测到的脉搏波间存在一定的相位延迟.以上两个因素将导致不同波长对应的脉搏波之间存在一定的波形差异,从而使其频谱发生改变,在动态光谱中引入相移波形误差.文章对该相移波形误差进行了量化分析.结果表明,该误差与截取脉搏周期的矩形窗位置相关.通过精选矩形窗位置,可以将相移波形误差降低一个数量级.     

消除个体条件测量差异的动态光谱及其频域提取法的研究

在近红外光谱的皮肤无创检测中,个体差异是一个相当大的技术难题.在血液成分无创检测中,个体差异包括毛发、角质层、表皮、真皮、皮下组织、肌肉、骨骼等.研究表明,个体差异随着个体不同而不同,是阻碍血液成分无创检测技术实用化的重要因素.文章提出了基于光电容积脉搏波的产生机理和傅里叶变换的检测血液成分浓度的新方法--频域提取法,这种方法可以消除测量中由于皮肤组织和肌肉组织产生的差异;提出了动态光谱的概念,从理论和实验两个方面说明了这种方法的优点,并通过实验直接提取了各波长中仅由血液成分产生的吸光度光谱图,对于近红外光谱无创检测血液成分的实际应用有着重要意义.     

基于动态光谱法的多波长脉搏血氧饱和度测量

目前临床上血氧饱和度的无创检测主要基于双波长的脉搏血氧饱和度测量原理,但其检测精度仍然需要进一步的探究和完善。近年来,国内外的很多研究者采用三波长甚至八波长的方法测量血氧饱和度,从某种程度上减小了误差。动态光谱法作为一种新型血液成分无创检测方法,能消除受试者个体差异和测量环境等的影响,在血红蛋白浓度的无创检测研究中取得了很好的效果。基于动态光谱法对多波长下脉搏血氧饱和度检测进行了研究:对60名重症监护患者进行动态光谱采集以及动脉抽血分析血氧饱和度值;采用高灵敏度光纤光谱仪,采集受试者指端透射多波长下的光谱信息;以单拍提取法提取波长范围为606.44~987.55nm的动态光谱;以动脉血气分析中血氧饱和度值为参考真值,建立血氧饱和度与多波长动态光谱数据的组合间隔偏最小二乘校正模型;得到预测集的相对误差为±0.017 6,而两波长测量装置监护仪上得到的数据相对误差为±0.116 4。结果表明:利用高灵敏度光纤光谱仪采集多波长光谱信息,用动态光谱法进行数据预处理,进行多波长血氧饱和度检测,有效降低了血氧饱和度的测量误差。     

无创血液成分检测全波段信号信噪比均衡

为充分扩展动态光谱无创检测血液成分的种类和提高检测精度,在全波段范围内对光源、组织吸收和传感器的灵敏度进行统筹考虑,通过光源补偿和加入远心透镜设计不仅扩大了有效光谱检测范围,而且均衡了全波段范围光电脉搏波信噪比,提高了动态光谱信号整体信噪比并扩大了测量带宽。动态光谱质量评估的方法验证了该方法的有效性:将可见动态光谱的有效检测范围从600～1000nm拓宽到500～1135nm,近红外动态光谱的有效检测范围从900～1 100nm拓宽到900～1 700nm,既为基于动态光谱无创检测新的血液成分创造了条件,也可进一步提高已可检测血液成分的精度。     

基于红外反射光容积脉搏波的血管阻力研究

近红外光谱技术在血氧饱和度和血糖浓度的无损伤在体测量中得到了应用。本文利用基于反射式原理的红外光容积脉搏波对指尖和桡动脉进行了血管阻力等血流参数检测的研究。通过将提取到的光电容积脉搏波中峰峰值和特征K值参数与超声多普勒所测收缩期峰值血流速度和血管阻力参数进行相关性分析, 发现两者存在很强的相关性, 研究结果将扩展光电容积脉搏波在血流检测中的应用。     

血液成分无创检测中基于不确定度的光谱提取方法

近红外光谱血液成分无创检测技术发展至今已取得一系列进展。为进一步提高检测精度,基于动态光谱理论提出了一种改进的光谱提取方法:首先拟合出漂移基线,抑制了手指与夹具相对运动造成的影响;然后以方和根代替峰峰值组成光谱,减小了系统随机误差造成的影响。最后以血氧饱和度测量为例,对血氧饱和度系数Q进行不确定度分析,结合实验数据的理论分析表明以方和根代替峰峰值可使不确定度下降至原先的38%。在血氧饱和度检测实验中将改进后的方法与峰峰值法对比,可得精度更高的血氧饱和度系数Q,获得十组Q值的方差平均下降至原先的42%。理论分析与实验结果均表明,应用所提出的光谱提取方法可更加精确地从光电容积脉搏波中提取有效光谱,在血液成分的无创检测中有着重要的价值。     

基于最小二乘法的动态光谱补偿拟合提取

高信噪比的动态光谱(dynamic spectrum,DS)提取是实现高精度动态光谱血液成分无创检测的一个关键。为了进一步提高提取的精度和速度,从原理上分析了各单波长光电容积脉搏波(photoelectric plethysmography,PPG)的线性相似性,并基于此性质提出了补偿拟合法:首先按照PPG单周期采样点数进行滑动平均得到漂移基线进行补偿,除去基线漂移;其次用各波长对数PPG与全波长叠加平均模板PPG进行最小二乘拟合,提取一次项系数构成DS。利用拟合提取法对近红外和可见光波段各25组PPG数据样本进行DS提取实验验证,并将结果与单沿提取法进行平滑性指标的对比,结果表明:近红外和可见光波段补偿拟合法获取DS的平均方差分别为单沿提取法的77.9%和59.5%,稳定提高了DS的平滑性;近红外和可见光波段补偿拟合法处理时间分别可以达到单沿提取法的10%和20%,处理速度得到显著改善。补偿拟合法在单沿提取法的基础上稳定提高了DS的信噪比,改善了DS提取质量,缩减了提取时间,并简化了处理步骤,有望推动DS无创血液成分检测的发展。     

动态光谱频域提取的FFT变换精度分析

近红外光谱无创血液成分检测因其测量方法的优越性,已经成为生物医学领域的研究热点之一.但除血氧饱和度外,目前还没有进入临床应用成果的报道,其关键在于个体差异和测量条件对检测精度的影响.文章先介绍一种可以消除个体差异的新的检测方法--动态光谱法,再从其原理出发,推导出基于傅里叶变换的动态光谱频域提取法.同时,文章通过实验,研究了采样率,采样周期个数,非同步采样对(快速傅里叶变换(FFT)精度的影响.分析结果表明:选择合适的采样率,采样信号周期个数、并利用现有的加窗和插值算法能够大幅度提高动态光谱数据的精度.     

基于FPGA的无创伤血液成分光谱采集系统设计

血液成分检测是健康诊断的重要手段,常规的血液成分检测采用抽血的方法,不仅给病人带来痛苦,还存在交叉感染的风险。近红外光谱技术是无创伤血液成分检测中的研究热点。为满足近红外无创伤血液成分检测仪器对其光谱数据采集系统提出的高速、多通道和高信噪比的要求,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速、多通道光谱数据采集系统。该系统采用Altera公司Cyclone IV系列的FPGA芯片作为其微控制器,控制两片8通道的A/D芯片并行采集16通道的人体血液脉搏波光谱信号,采集到的数据在FPGA的控制下首先缓存在FPGA内部建立的乒乓RAM中,然后转存至外部SRAM芯片中,最后经USB总线传输至计算机。实验结果表明,在19 531 Hz的采样频率下,该系统能够高速并行采集16个通道的信号,重复性信噪比可达40 000∶1。此外,在该采样率下,系统可以采集到高信噪比的人体血液脉搏波信号,采集速度能够达到每秒305幅光谱图。该系统满足近红外无创伤血液成分检测仪器对于光谱数据采集系统的基本要求。该研究的主要创新点为将FPGA应用于近红外无创伤血液成分检测仪器的数据采集系统中,FPGA能够同时控制两片AD芯片进行16路人体血液脉搏波数据的高速并行采集,解决了单片机作为微控制器时无法实现多通道大量数据高速采集和储存的问题,使仪器的采集速度大大加快;同时使用FPGA内部资源建立乒乓RAM进行数据的缓冲,实现了不同位数数据从AD芯片到SRAM芯片的无缝连续传输。     

利用统计处理方法提高动态光谱的检测精度

近红外光谱法成分检测因其检测方法的优越性,已成为生物医学领域的研究热点.目前国内外相关研究虽然广泛,可是还没有进入实际临床应用的报道.关键是现有检测方法中存在着个体差异,测量条件的影响,使光谱检测精度达不到要求,因此提高检测精度是血液成分无创检测得以实现的关键.文章在最近提出的一种新的近红外血液成分检测方法-动态光谱法的基础上,利用传统的统计处理方法,通过剔除含有粗大误差的奇异点和多次测量统计平均来提高动态光谱检测精度.实验结果表明含粗大误差的奇异点剔除和多次测量统计平均能够提高动态光谱的检测精度.     

动态光谱检测中血液散射对等效光程长变化的影响

动态光谱无创动脉血液成分检测方法,从原理上可以去除皮肤等因素带来的个体差异的影响.在使用该方法时,需要考虑血液散射的影响.采用蒙特卡罗模拟仿真方法,对人体指端脉动动脉血液的散射引起的等效光程长变化程度进行了研究,从误差分析的角度对通过动态光谱法测量血液成分浓度的下限进行了评估.     

Dynamic Spectrum for noninvasive blood component analysis and its advances

Noninvasive blood component analysis by spectroscopy has broad prospects that based on Dynamic Spectrum (DS) can effectively suppress the influences of individual differences (such as skin, muscle, fat) and the variations of measurement conditions, which shows its potential in the clinical applications. The purpose of this article is to review the starting point and the advances of DS, to assess the current situation of the field and to explore future directions. The principle of DS and the error sources of noninvasive blood component analysis were introduced. An overview of the six stages of noninvasive blood component analysis, including sensing principle, acquisition methods of spectral photoplethysmography (photoplethysmography signal at multiple wavelengths) signals, spectral photoplethysmography (SPPG) preprocessing, DS extraction methods from SPPG, the quality evaluation for DS and modeling methods, was presented. Finally, the existing issues of DS are discussed and the future directions are predicted.     

动态光谱提取方法的对比研究

针对现有的频域法和单沿法这两种动态光谱提取方法进行了对比与研究.理论及实验结果表明,虽然两种方法提取动态光谱的角度不同,但其本质是相同的:源于动态光谱的基本原理、信号统计特性和平均作用的利用;对于周期、幅值较稳定的脉搏波,两种方法都能够提取高精度的动态光谱;相比较频域法,单沿法能够更好地抑制手指的抖动、光纤探头压力的改...     

Application of wavelet transform on improving detecting precision of the non-invasive blood components measurement based on dynamic spectrum method

Time-varying noises in spectra collection process have influence on the prediction accuracy of quantitative calibration in the non-invasive blood components measurement which is based on dynamic spectrum (DS) method. By wavelet transform, we focused on the absorbance wave of fingertip transmission spectrum in pulse frequency band. Then we increased the signal to noise ratio of DS data, and improved the detecting precision of quantitative calibration. After carrying out spectrum data continuous acquisition of the same subject for 10 times, we used wavelet transform de-noising to increase the average correlation coefficient of DS data from 0.979 6 to 0.990 3. BP neural network was used to establish the calibration model of subjects' blood components concentration values against dynamic spectrum data of 110 volunteers. After wavelet transform de-noising, the correlation coefficient of prediction set increased from 0.677 4 to 0.846 8, and the average relative error was decreased from 15.8% to 5.3%. Experimental results showed that the introduction of wavelet transform can effectively remove the noise in DS data, improve the detecting precision, and accelerate the development of non-invasive blood components measurement based on DS method.     

光谱相减方法用于无创生化检测中背景扣除实验研究

在近红外光谱无创生化检测中,血流容积光谱相减方法在理论上可以消除组织背景等干扰因素,提取出血液的有效光谱信息。为论证血流容积光谱相减方法有效性,设计了相应的模拟实验。采用生物分子水溶液模拟血清样品,不同吸收特性的滤光片模拟组织背景干扰,可变厚度样品池模拟血流容积变化。比较了光谱相减方法处理前后的模型精度,处理前模型定标相关系数(Rc)为0.476,交叉检验标准差(RMSECV)为437mg·dL-1;处理后Rc达到0.977,RMSECV降至301mg·dL-1。实验结果表明血流容积光谱相减方法能够较好抑制或扣除组织背景干扰,大幅度提高模型预测精度。     

小波变换提高动态光谱法血液成分无创检测的精度

光谱采集过程中的各种时变噪声影响了动态光谱法血液成分无创检测定量校正模型的精度。该文采用小波变换法,在脉搏频段内对指端投射光谱的时域吸光度波形聚焦,提高了动态光谱数据的信噪比和血液成分含量定量校正模型的精度。对同一个体连续采集10次光谱数据,引入小波变换去噪后动态光谱数据的平均相关系数r自0.979 6提升至0.990 3。对110名志愿者进行血常规体检和指端透射光谱采集,建立动态光谱数据与血糖浓度生化分析值之间的神经网络模型,在引入小波变换去噪后,预测集相关系数自0.6774提升至0.846 8,平均相对误差自15.8%下降至5.3%。实验表明,引入小波变换可以有效地去除动态光谱数据中的噪声,提高定量校正模型的精度,推动了动态光谱法无创血液成分检测的发展。     

基于CPLD的线阵CCD光谱检测数据采集系统的研究

血液成分无创检测已成为生物医学工程领域关注的焦点和热点,其中以近红外血液成分检测最为突出,而动态光谱检测方法以能消除近红外血液成分检测中的个体差异和测量条件的影响备受研究者的青睐.但是,由于动态光谱检测系统要求较高的幅值精度和高的时间分辨率,因此要求所采用的CCD(charge coupled device)系统进行较长时间的实时输出,其数据量较大,需要匹配高速数据传输模块.文章介绍了一种基于CPLD(complex programmable logic device)的CCD数据采集系统,整个系统以CPLD为主芯片,它不仅为CCD提供工作时序信号,同时还控制信号调理、转换、传输模块中的采样率、相关双采样的时序和数据的存储与传输.采用CPLD器件不但简化了系统结构,提高了整个系统的速度,而且达到了幅值精度和时间分辨率的要求.