人体血氧饱和度检测中消除脉搏波信号高频噪声的方法

基于光电容积脉搏波的方法可以用于人体血氧饱和度的无创检测,基于光电容积脉搏波测量时,由于信号采集过程中随机噪声等干扰,脉搏波信号中存在高频噪声,影响最终的血氧饱和度测量精度。提出采用基于连续均方误差(CMSE)准则的经验模态分解(EMD)法消除脉搏波信号中的高频噪声。利用自行研制的光电容积脉搏波采集装置采集脉搏波信号,应用该方法消除信号中高频噪声,并采用信号的频谱进行效果评价。结果表明：该方法有效消除了高频噪声,这将有利于人体血氧饱和度无创检测精度的提高。     

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。     

基于动态光谱的脉搏血氧测量精度分析

脉搏血氧仪具有连续、无创、快速、准确监测人体动脉血氧饱和度和心率的功能,现已在临床上发挥重要作用.脉搏血氧饱和度检测法结合分光光度测定法和容积描记法2个基本方法,用红光和红外光同时对手指及耳垂等组织照射和检测.红外光和红光的容积描记图的波幅比值,随动脉血氧饱和程度而变化.目前使用的脉搏血氧仪基本上采用的是传统的脉搏血氧饱和度检测方法,由于其结果受到测量原理,测量条件及个体差异等多方面因素影响,精度不能令人满意.文章从动态光谱的观点出发,通过分析传统脉搏血氧测量原理中产生误差的原因,从理论上推导出实现高精度脉搏血氧测量的方法.动态光谱方法在原理上具有抑制或克服个体差异和测量条件对检测光谱影响的优点.采用该方法可以消除脉搏血氧饱和度测量的理论上的绝大部分误差.     

EMD算法在动态光谱无创测量血红蛋白浓度中的应用

将经验模态分解(EMD)算法结合动态光谱理论中的频域提取算法用于血红蛋白浓度的无创测量。在体采集57例光电容积脉搏波,选取636.98～1 086.86 nm范围内的光谱数据进行分析。首先通过EMD方法分别对各个样本每个波长的光电容积脉搏波进行去噪预处理,再利用离散傅里叶变换提取脉搏波的峰峰值构成动态光谱,最后运用偏最小二乘方法对各样本的动态光谱和血红蛋白浓度建立模型。与未经EMD处理的数据建模结果相比,EMD处理后,血红蛋白浓度预测集的相关系数从0.879 8提高到0.917 6,预测集均方根误差从6.675 9 g·L-1减小到5.300 1 g·L-1,相对误差从8.45%减小到6.71%,建模精度有了较大的提高。结果表明,采取经验模态分解的算法进行光电采集数据的去噪预处理可以提高光谱数据的信噪比,进而可以提高血液成分无创测量的准确性。     

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。     

动态光谱数据质量的评价

为消除数据采集过程中各种因素对基于动态光谱法无创血液成分测量精度的影响,需要对动态光谱数据建立一个质量评价标准,以提高建模的稳定性和预测的准确度。在对110名志愿者的测量数据进行分析后,提出了动态光谱数据的一个质量评价指标——稳定波长数,并依此选取出60例优秀样本。利用BP神经网络对此样本的总胆固醇、血糖、血红蛋白进行了建模和预测。预测结果较之对照组均有所改善,平均相对误差分别从13.8%,15.8%,5.4%降低到6.5%,6.5%,2.1%,证明将稳定波长数作为动态光谱数据质量评价标准的有效性。引入稳定波长数指标,可对测量数据进行预先的质量评估,提高实际仪器预测的可靠性,为动态光谱法血液无创检测走向临床应用铺平了道路。     

基于LabVIEW的动态光谱光电脉搏波信号提取的快速算法

在众多近红外光谱检测方法中,动态光谱法以能消除检测中个体差异和测量条件的影响而备受研究者的青睐。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。高精度和高速度是动态光谱检测的核心问题。应用过采样和数字锁相检测技术能提高动态光谱法中光电脉搏波信号的检测精度,文章对此进行了理论推导。同时,为了克服过采样导致的大数据量和锁相放大要求的大运算量等困难,提出了基于LabVIEW的快速算法和通过外部接口调用C语言的方法应用于动态光谱光电脉搏波的提取,并在LabVIEW环境下进行实验验证。结果表明,该方法不但提高了运算速度,还大大缩小了数据的存储量。     

利用近红外光谱检测多层组织血氧饱和度的研究

利用近红外光谱无创检测生物组织血氧饱和状态,是一种极富研究和应用前景的检测技术,在临床检测中被广泛应用.但常规临床检测应用于指端仅反映局部血氧饱和度信息,在使用中具有局限性,信号的可信度也存在质疑.该文提出了一种采用反射式脉搏血氧饱和度检测技术检测生物多层组织氧合状况的新方法,该方法通过调节入射光强以适应解剖学中生物组织多层结构的检测.应用该方法针对手指结构的实验结果表明,随着入射光强的改变,反映血氧饱和状态的光电脉搏波信号有显著变化.结合手指解剖学分析表明,光电脉搏波信号的变化与手指的多层面组织结构相对应,反映不同层面血氧饱和状态.这一特点表明,通过此法可以针对生物组织的多层结构进行测量.     

单波长光声光谱血氧饱和度检测技术研究（英文）

血氧饱和度(SO_2)为临床观察病情变化提供了有意义的指标。传统血氧饱和度检测研究工作多采用双光源和多光源光电容积脉搏波描记法实现无创检测来减少病人痛苦。通过研究生物组织对光的吸收和散射特性,将光谱学和光声技术相结合提出了一种无创式单光源检测血氧饱和度(SO_2)、脱氧血红蛋白浓度[HBR]和氧合血红蛋白浓度[HbO_2]的新方法。该方法基于血液对光信号的吸收和散射理论基础和光声信号呈现吸收线形关系建立单波长光声光谱血氧饱和度检测技术,不仅可以进行指标性参数分析还可以对组织成像。为了验证该技术可行性,在实验中采用单波长激光脉冲光源,以绿色和红色墨水的混合液体作为含有脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的血液模型注入软管模拟人体血液环境。其中红色墨水的含量类比于血液中含氧血红蛋白含量,从而可通过测量计算出红色和绿色墨水浓度来表征伪血氧饱和度(poseudo-SO_2)。实验结果表明,所测的伪血氧饱和度与实际浓度误差不超过6.97%,采用该方法量化血氧饱和度是可行的;同时利用实验结果,结合光声成像技术完成了对伪血液中单圆管截面成像。该方法替代多波长光谱分析的方法能显著降低激光系统和便携式实现成本。     

基于近红外光谱实现心输出量无创检测的色素谱分析方法

针对当前临床上心输出量参数检测技术存在的有创伤、操作复杂和患者易受感染而死亡的问题,研究了一种基于近红外光谱原理,动态测量和分析作为指示剂的吲哚氰绿色素在患者动脉血液中的浓度变化情况,从而根据其特征参数实现心输出量连续测量的无创检测方法。将吲哚氰绿色素经肘静脉注入患者体内后,光电脉搏色素谱测量装置作为下位机,连续、同步采集和记录其指端处的805和940 nm两个特征波长点的脉搏波信号,并将数据上传至上位计算机,由后者绘制色素稀释和排泄的浓度衰减曲线,以及计算平均循环时间等关键参数,最后推导出心输出量的数值。将该方法与作为“金标准”的热稀释法的测量结果相比较,其最大相对误差为9.76%,而平均相对误差为4.39%。该试验结果表明,所提出的方法为临床上的心输出量检测,提供了一种操作简便、无创和连续测量的解决方案。     

基于试验方差分析的血氧测量波长选取的研究

为了提高血氧饱和度光谱测量的精度和可靠性,增强血氧饱和度测量数据的有效性,提出了基于试验方差分析的血氧测量波长选取的方法。通过分析不同波长组合对应的血氧饱和度系数分布情况,合理地利用统计理论,从中选取较好的波长组合。实验中以不同血氧饱和度临床数据为基础,建立了不同波长组合(660和940 nm,660和805 nm,805和940 nm)计算出的血氧饱和度系数的单因素试验方差分析模型,参照分析模型中的F指标和p参数,比较分析不同波长组合的显著性,进而从光谱数据中选取出相对较好的波长组合,为进一步建模分析提供了可靠的中间数据。结果表明,选取660和805 nm的波长组合引入的总误差相对较小,能更显著的代表血氧饱和度的变化,相比其他的波长组合进行分析能够提高血氧测量精度。本研究将试验方差分析方法用于血氧测量中波长组合的优选,效果显著,为血氧饱和度的测量和其他相关光谱的特征波长选取以及定量分析提供了新思路。试验方差分析方法有助于从光谱中提取代表被测量的有效信息。     

基于半导体纳米线和金属脊的混合表面等离子体波导模式特性分析

波长可开关光纤激光器可以选择多波长光纤激光器中的一个或多个波长输出,支持光网络中多个波长的动态分配,适应现代光纤通信系统信道数越来越多的波分复用和密集波分复用的发展方向.本文提出并实现了一种自激发多波长可开关掺铒光纤激光器.该激光器通过一个980 nm泵浦进行抽运,使用掺铒光纤作为增益介质,产生1 550 nm光谱,并通过一个环形结构返回,从而实现自激发的过程,降低了实验成本.实验使用一个含有两段保偏光纤的Sagnac环作为滤波器.通过调整Sagnac环形滤波器内偏振控制器的角度,改变Sagnac环形滤波器的腔内增益,可以让光纤光栅反射出来的波长选择性通过,从而实现波长的开关功能.实验证明,通过调整Sagnac滤波器的腔内增益而让多波长选择性通过,是一种有效的实现波长可开关功能的方法.     

复杂液体光谱法分析的浓度分辨率及浓度分布影响

为保证基于光谱技术的复杂溶液检测的可行性,分析多波长建模对浓度分析的精度增益,以及确定合适的组分浓度分布以得到质量高、普适性佳的定量分析模型,从光谱检测仪器噪声、光谱数据多波长建模和被测溶液成分浓度分布影响因素入手,对复杂溶液成分浓度检测精度的影响进行分析。通过对浓度分辨率分析,对已知光谱仪噪声条件下能够实现的溶液成分浓度分辨率进行评估,也为在已知定量分析所需浓度分辨率条件下选择满足测量要求的光谱仪器提供理论依据。基于过采样提高测量精度技术分析,表明多波长建模带来了精度增益,从而提高浓度检测灵敏度。考虑被测成分含量以及非测量成分的含量在所测范围内疏密比和加权欧氏距离,为选择满足浓度分布的有利于提高模型质量、减小预测误差的样本集进行建模提供理论指导。     

一种抗血氧波动干扰的肝储备功能测量方法

肝储备功能参数是评估肝脏代谢作用是否正常的关键指标,也是判断切除肝叶手术能否进行的重要依据。当前临床上获取肝储备功能参数是通过脉搏色素分光光度法测量吲哚菁绿色素浓度实现的,但是该方法需要假设血氧值为100%,这将导致肝储备功能参数的计算值存在一定误差。针对这一问题,提出了一种抗血氧波动干扰的肝储备功能参数测量方法,以修正的朗伯-比尔定律为理论基础,实现了对脉搏色素分光光度法测量的吲哚菁绿色素浓度的修正。在人体注入吲哚菁绿后,利用自制的数据采集单元在指端皮肤处同步采集805和940 nm的双波长透射信号,以及730,805和890 nm的三波长反射信号,将收集到的五组数据依次上传至计算机,利用接收到的数据和人体注射色素前的血氧值绘制出吲哚菁绿色素的浓度曲线,并计算其特征参数,根据浓度曲线的特征参数计算出肝储备功能参数。以有效肝脏血流量为例,将所提出的方法和脉搏色素分光光度法的测量结果分别跟目前测量有效肝脏血流量最准确的电磁流量计法的测量结果相比较,测量误差得到了明显的改善。实验结果表明,该方法提高了肝储备功能参数测量的精确度,为临床提供了一种更加准确的肝储备功能参数检测方法。     

氧气顶炉口火焰温度多光谱分析

采用多波长分析方法测量氧气顶回转炉口火焰温度的研究。在该方法中,采用USB4000型光纤光谱仪测量火焰在可见光波长范围内的火焰辐射光谱,结合Levenberg-Marquardt最优化算法,得到火焰温度和单色辐射率变化规律。本文还提出了采用小波神经网络处理多光谱测温数据,该方法可以取消发射率与波长之间的假设模型,是一种获得目标真温及发射率行之有效的方法。网络中隐含层的神经元是由S函数和Morlet小波函数的乘积组合构成,在逼近火焰温度中具有良好的表现。     

动态Allan方差的理论改进及其应用研究

动态Allan方差(DAVAR)法是一种分析非平稳性信号的有效工具,但在辨识噪声时存在功率泄漏和定量表示单一的缺陷.为此,提出窗函数组合法和噪声量值的二维表示法对其加以改进,用于分析和定量描述光纤陀螺动态误差中的各种噪声项.窗函数组合法在光纤陀螺动态误差分解的基础上采用矩形窗和汉宁窗分别对其中的中低频噪声和高频噪声进行...     

光纤干涉测距中光程定位的研究

提出一种由定位干涉仪和测量干涉仪组成的光纤干涉绝对距离测量方法;并用标准长度光纤实现光程倍增以增大测量范围;重点讨论了用脉冲电流调制的准单色光源实现光程定位的方法及其精度。通过理论分析和仿真实验,定位重复性误差优于±1μm。     

脑组织血氧饱和度的微创在位测量

 利用光纤光谱仪和光纤探头建立脑组织血氧饱和度（hemoglobin oxygen saturation, SO2）微创在位测量系统。将悬乳液和全血的混合溶液作为生物组织模型,获取模型在不同SO2下可见光区实时吸收光谱与血氧分析仪所测SO2数据的样本集,将吸收光谱作归一化处理后取得500nm～600nm区间的4个光谱特征参量,通过统计分析建立特征参量与血氧饱和度的经验公式。结果表明：利用该系统获得了30只大鼠脑皮层不同深度的血氧饱和度SO2,其范围为64%～76%。这种方法有助于脑外科微创手术中实时在位测试脑组织血氧饱和度研究。     

基于小波神经网络的光纤陀螺误差补偿方法

为了提高光纤陀螺的测量精度,提出了一种基于小波神经网络的误差补偿方法。首先使用小波分析中的Mallat分解算法提取出陀螺信号中的主趋势项,对其误差余项进行重构。然后将重构信号作为小波神经网络的目标输出,将原始陀螺信号作为训练样本。为了提高小波神经网络的训练速度同时防止其陷入局部极小值,采用增加动量因子和自适应调整学习速率的方法来改进训练方法。训练后建立的神经网络模型对光纤陀螺误差具有良好的估计能力。结果表明,经过小波神经网络方法补偿后,光纤陀螺的输出精度达到了0. 019 4°/s,光纤陀螺的测量性能得到了提高。