近红外光谱无创血糖测量中背景扣除方法的研究

在近红外光谱人体血糖无创检测中,由于葡萄糖在体内含量非常低,而光谱中的噪声组成复杂且变化幅度大,从而导致测量的信噪比较低。背景扣除是提高测量信噪比的有效预处理手段之一。文章首先对常用的背景扣除方法进行了理论推导,并进一步考虑不同样品在测量过程中存在的样品本身特性变化,提出了相近背景扣除的方法,即选择与样品的光学特性变化相似的样品作为背景,能更有效地消除样品特性变化和仪器漂移的影响。并在纯吸收和散射介质中分别加入葡萄糖进行实验验证。结果表明,在血浆溶液和Intralipid-2%溶液的葡萄糖实验中,选用与样品特性更接近的样品作为背景时,葡萄糖浓度的预测精度分别提高了25.9%和40.1%。     

净信号预处理结合径向基偏最小二乘回归在血糖无创检测中的应用

为了提高人体血糖近红外光谱定量分析模型的预测精度,结合净信号预处理(NAP)算法和径向基偏最小二乘(RBFPLS)回归建立了一种适合于人体血糖测量的非线性建模方法NAP-RBFPLS。本文首先利用NAP对近红外光谱进行预处理来有效地提取原始光谱中仅与葡萄糖信号相关的光谱信息,从而有效地减弱了人体血液中水、白蛋白、血红蛋白、脂肪等成分的吸收干扰以及人体体温的变化、测量仪器本身的漂移、测量环境的变化和测量条件的变化引起的干扰因素与血糖变化的偶然相关问题;然后把净信号预处理后的近红外光谱数据通过RBFPLS建立了非线性定量分析模型来解决由于人体强散射引起的血糖浓度与近红外光谱之间的非线性关系,并与偏最小二乘(PLS)、基于净信号预处理的偏最小二乘(NAP-PLS)和RBFPLS这三种建模方法建立的定量分析模型进行了对比分析。实验结果表明,这两种方法相结合建立的非线性校正模型对预测集的预测精度有了很大的提高,这将对人体血糖浓度无创检测技术的研究具有实际应用价值。     

光纤气体传感的双光路相位保持方法

在波长调制法的光谱吸收型气体传感器设计中,通常采用二次谐波检测技术.然而含有气体体积分数信息的被测信号和二倍频参考信号的相位差变化严重影响了二次谐波信号测量结果.采用双光路相位保持设计来解决这一问题,设计包括移相电路和双光路两部分,移相电路由数字电路组成.调整方便,用来消除电路本身固有延时;光路部分通过增加一路不经气室吸收的参考光路,同检测光路组成双光路,保证无论光纤长度如何变化,被测信号和参考信号相位始终相同.在波长调制的基础卜引入双光路相位保持设计后,随被测信号相位0～90.变化,测量结果误差值低于士10%.这种设计提高了系统检测结果的稳定性,实现了恶劣环境中,任意距离任何位置的气体体积分数检测.     

基于浮动基准法的无创血糖检测实验应用研究

近红外无创血糖浓度测量面临着信号微弱、仪器信噪比低、血液中其他成分干扰以及人体生理环境不断变化等因素影响,致使血糖信号难以辨识这一难题。浮动基准法针对葡萄糖浓度变化对吸收和散射效应的影响,选择吸收效应和散射效应相互抵消的位置获得基准光谱,在吸收和散射效应引起最大综合影响的位置获得测量光谱,并采用基准光谱对测量光谱进行修正,从而消减样品背景状态变化以及仪器噪声、漂移等干扰。通过应用实验评估浮动基准法对提高模型预测精度和稳定性的有效性。通过对处理前后的预测结果进行比较分析得出:应用浮动基准法数据处理之后,交互验证均方根误差(RMSEP)最大改进比率34.7%,实验结果表明浮动基准法能够有效消减样品自身状态变化以及仪器噪声、漂移等干扰因素的影响,较大幅度地提高了模型的预测性能和稳定性,以期突破无创血糖浓度测量的障碍。     

中红外无创血糖测量中光程变化对PLSR模型的影响研究

在测量人体皮肤中红外光谱的过程中,皮肤与ATR晶体之间的接触面积很难保持一致,导致倏逝波与人体皮肤的作用光程会产生差异。以光程变化信息与葡萄糖浓度信息之间的相关性为基础,建立了两个分析葡萄糖含量的偏最小二乘回归(PLSR)模型,RMSECV分别为31.3和4.52mg.dL-1;RMSEP分别为30.3和98.7mg.dL-1。结果表明,当光程变化信息与葡萄糖浓度信息之间偶然相关时,所建PLSR模型的预测精度与稳健性会受到不同程度的影响,随着二者之间相关性的增强,最优模型对葡萄糖信息的识别能力越来越弱。为提高中红外无创血糖测量分析结果的可靠性,避免获得伪优定标模型提供了实验依据。     

基于中等浓度样品参考测量的近红外光谱检测方法

为了改善近红外(NIR)光谱测量精度,提出了以中等浓度样品作为参考物的测量方案。从理论上分析了扣除参考背景后吸光度的误差来源,发现以中等浓度样品作为参考物有可能减小样品池和光纤损耗导致的测量误差。以葡萄糖为分析对象,开展了葡萄糖水溶液和3%Intralipid仿体溶液的近红外透射验证实验。在糖水溶液的双光路实验中,以中等糖浓度样品作为参考物建立的偏最小二乘(PLS)模型的校正均方根误差(fRMSEC)和交互验证均方根误差(fRMSECV)比纯水背景分别下降了36.6%和41.0%;而仿体实验中,以中等糖浓度样品作为参考物时,模型的校正均方根误差和交互验证均方根误差比无糖3%Intralipid溶液作为参考物时分别下降了66.3%和39.6%。实验结果表明以中等浓度样品作为参考物能有效提高近红外透射光谱的分析精度。     

氯化钠对葡萄糖水溶液近红外光谱的影响

人体内钠盐的含量影响血糖代谢且与糖尿病具有较高的相关性。因此,在进行血糖的近红外光谱无创检测时,不仅要考虑血液中大颗粒及大分子物质对光谱的吸收和散射影响,也应从分子结构层面上分析小分子物质对葡萄糖分子结构及其特征吸收的影响。基于声光可调谐滤波器(AOTF)的高精度近红外光谱采集系统,测量并研究了在水溶液环境下氯化钠(NaCl)对葡萄糖分子结构及其近红外特征吸收的影响。首先,测量含有不同NaCl含量的葡萄糖水溶液透射光谱,分别采用纯水和同浓度 NaCl 样本进行背景修正,实验表明,在水溶液环境中 NaCl会改变水分子和葡萄糖分子特征吸收峰的位置和强度;对不含NaCl和含有NaCl的糖水样本分别扣除纯水和同浓度NaCl样本后进行二维相关光谱分析,同步谱的切线谱显示NaCl减弱了葡萄糖分子在1 400和1 520～1 700 nm处的特征吸收。最后,通过偏最小二乘回归模型定量分析NaCl对葡萄糖预测精度的影响,发现模型的预测均方根误差随NaCl含量的增加而增大,并且含NaCl的样本与不含NaCl的样本对葡萄糖浓度预测值之差的平均值与加入的NaCl含量近似为线性关系。结果表明,在水溶液环境下NaCl分子会改变葡萄糖分子键状态并影响其特征吸收,从而降低模型的预测精度。若将NaCl含量作为变量因子,有助于提升血糖的近红外光谱无创检测精度。     

二维相关光谱分析在无创血糖检测特异性研究中的应用

主要利用二维相关光谱分析方法考察了血液中主要成分、测量过程中的系统漂移等因素对近红外光谱中的葡萄糖分子特异性的影响。首先测量了葡萄糖水溶液的近红外透射光谱,以葡萄糖浓度为外扰,计算二维相关同步谱及异步谱,通过对比分析确定了葡萄糖在合频和倍频区域的特征吸收峰位置。当葡萄糖水溶液中加入少量白蛋白后,其二维相关谱中葡萄糖的一级倍频吸收峰(1 590 nm)和二级倍频吸收峰(1 195 nm)出现了不同源的现象,表明白蛋白可能破坏了葡萄糖的特异性;进一步开展了人体口服葡萄糖耐量实验,测量了手掌部位的漫反射光谱,其二维相关谱中葡萄糖的同源性吸收也遭到破坏。另外,由于葡萄糖浓度变化引起的光谱变异信息较小,很容易被系统漂移掩盖,一般需要进行背景修正。在葡萄糖水溶液的透射实验和人体漫反射实验中,分别引入纯水样本和5%标准漫反射板作为参考,以时间为扰动的二维相关光谱分析的结果表明,经过参考样本的背景校正后,系统漂移在二维同步切线谱中引起的谱峰偏移变小,葡萄糖的特征吸收被增强。因此,在近红外光谱无创血糖检测中,应尽量避开与葡萄糖特征吸收不同源的波段,并有必要采取一定的参考测量方法以提高检测的特异性。     

O-PLS在近红外无创人体血糖浓度测量基础研究中的应用

近红外漫反射光谱被认为是无创血糖浓度检测的一种有效方法,但由于被测对象是组织特性复杂的人体,传统的黑箱建模方法很难从综合的光学信息中分离出糖的变化,从而限制了测量的准确性。文章研究了集成偏最小二乘建模和正交信号修正预处理方法于一体的回归方法O-PLS对葡萄糖近红外光谱模型的优化和解释,结果表明O-PLS回归方法能在较大程度上消除无关因素的影响,在简化模型的同时提高了模型的可解释性。     

基于二维相关中红外光谱技术的无创血糖检测特异性研究

葡萄糖的特异性是实现血糖浓度检测的前提,也是论证一种血糖检测方法可行性的基础。二维相关光谱技术以其高分辨率和便捷的时序规则(Noda规则)两大优势被广泛地应用在分子间(内)反应、物质相变以及物质信息提取等研究领域。旨在应用二维相关光谱技术验证中红外光谱法无创血糖检测技术的葡萄糖特异性,首先通过分析各种离体溶液样本的二维相关光谱证明方法的理论可行性,然后开展了人体手指的中红外ATR光谱采集实验,参考OGTT方法调节实验过程中人体的血糖水平,并运用二维相关光谱技术验证所得人体光谱中的葡萄糖特征信息,从而论证中红外光谱无创血糖检测技术的可行性。     

近红外无创血糖检测中基于差动式浮动基准测量的有效信号提取

近红外光谱的相对测量对实现人体血糖浓度的在体高精度检测具有重要意义。离体检测中常用的相似背景扣除以及双光路设计等方法不适合人体的复杂背景变化,而基于位置的参考测量方法被认为是有希望实现在体参考测量的方法之一。因此课题组提出差动式浮动基准参考测量方法来实现在体的相对测量。差动式浮动基准参考测量方法是一种具有普适性的参考测量方法,在实际应用中面临着径向检测距离的确定和差动检测信号中有效信号提取的问题。在差动式浮动基准参考测量方法的基础上,提出了基于NAS(net analyte signal)-VIP(variable importance in projection)-SPXY(sample set partitioning based on joint X-Y distances)-PLS(partial least square)的差动浮动基准测量方法,在离体实验中验证了该方法的可行性。结果表明经过该方法处理后,模型的均方根误差明显降低,相关系数也有了一定的提高。对该方法在人体实验中的有效性进行了研究,结果也表明该方法处理后所建模型的精密度和准确性有了明显改善。     

Net analyte signal with floating reference theory in non-invasive blood glucose sensing by near-infrared spectroscopy

Based on the floating reference theory, a new method for extracting the net analyte signal (NAS) is proposed. The noise background subspace is spanned by spectra at the floating radial reference point, and then, the spectra at the measurement point are projected on the subspace. Thereafter, the glucose concentrations in intralipid solutions are investigated through Monte Carlo simulation and experiments, and the partial least squares (PLS) models with and without NAS analysis are built. The root mean square errors of calibration and prediction reach to 28.87% and 27.33%, respectively. The results confirm the existence of information induced by glucose concentration variations as well as the validity of the floating reference theory.     

应用浮动基准法修正光谱光源漂移影响的模拟验证

近红外无创伤血糖检测目前面临的挑战主要是测量条件难以保证稳定、测量系统及被测对象自身的背景变化等问题,导致很难从背景变动的光谱中提取出糖浓度变化信息。经过多年的实验研究发现应用浮动基准参考测量法有望消除仪器漂移及被测对象自身背景变动的影响。但是浮动基准位置因人及测量部位不同而异,在不同的测量波长下其浮动基准点位置也不同,因此,欲在实验中验证浮动基准法的光谱修正效果需要测量出与入射光位置不同径向距离处的漫反射光强,然而在实际实验中位置精度很难保证。为此,研究了用模拟实验的方法验证多波长下浮动基准法对光源漂移所引起的光谱变化的修正效果,基于Monte Carlo模拟,分别采用浓度为5%和10%的Intralipid溶液作为被测样品,通过改变入射光子数模拟光源漂移的影响。得到模拟的光谱数据后,利用浮动基准法对其进行处理,并分别对浮动基准法修正前后的光谱数据进行偏最小二乘建模分析,将预测结果进行比较发现：两种浓度Intralipid溶液在存在光源漂移影响情况下修正后的模型预测精度预测均方根误差(RMSEP)相比于修正前分别减小了98.57%(5% Intralipid)和99.36%(10% Intralipid)。表明浮动基准法在消除光源漂移的影响方面效果明显。     

无创血糖近浮动基准参考测量方法的仿体实验验证

在近红外无创血糖测量中,由葡萄糖引起的信号变化十分微弱,极易受到人体背景、测量仪器、周围环境等变化的影响,限制了无创血糖检测的精度。针对这个问题,提出应用浮动基准位置理论进行背景变异的校正。但是由于个体的差异性与人体环境的复杂多变性,浮动基准位置会因人而异。通过对人体手掌三层皮肤模型进行蒙特卡洛模拟,发现其在1 000～1 700 nm近红外波段的浮动基准位置基本处于距光源径向距离2 mm附近。为了提高浮动基准位置理论在不同人体之间的适用性,提出了一种近浮动基准参考测量方法,即以径向距离2 mm处作为参考位置进行背景干扰的修正,并通过仿体实验验证其效果。选取与人体手掌皮肤模型的浮动基准位置较为接近的2%和3%浓度的Intralipid仿体溶液进行实验。实验结果表明近浮动基准修正法可以消减光源漂移对测量结果的影响,提高数据的重复性和稳定性;同时通过对不同葡萄糖含量的2%和3%浓度的Intralipid溶液进行多次漫反射信号采集并建立葡萄糖浓度预测模型,发现修正后的回归模型的预测均方根误差(RMSEP)分别降低了38.51%~79.98%和29.72%~52.22%,说明该方法能够比较有效地消除两个测量位置处共同的背景干扰,提高校正模型的预测精度。仿体实验验证的结果,为下一步近浮动基准参考测量方法的在体测量提供了有力的支撑。     

Classification of diabetes and measurement of blood glucose concentration noninvasively using near infrared spectroscopy

Developing noninvasive blood glucose monitoring method is an to immense need to alleviate the pain and suffering of diabetics associated with the frequent pricking of skin for taking blood sample. A hybrid algorithm for multivariate calibration is proposed to improve the prediction performance of classification of diabetes and measurement of blood glucose concentration by near infrared (NIR) spectroscopy noninvasively. The algorithm is based on wavelet prism modified uninformative variable elimination approach (WP-mUVE) combined with least squares support vector machine (LSSVM), named as WP-mUVE-LSSVM. The method is successfully applied to diabetic classification experiment (in vivo) and blood glucose concentration measurement experiment (in vivo) respectively. Human tongue is selected as the measuring site in this study. To evaluate effectiveness of pretreatment method and quality of calibration models, several usually used pretreatment methods and kernel functions of LSSVM are introduced comparing with our method. Higher quality data is obtained by our pretreatment method owing to the elimination of varying background and noise of spectra data simultaneously. Better prediction accuracy and adaptability are obtained by LSSVM model with radial basis kernel function. The results indicate that WP-mUVE-LSSVM holds promise for the classification of diabetes and measurement of blood glucose concentration noninvasively based on human tongue using NIR spectroscopy.     

近红外光谱无创血糖检测中有效信号提取方法的研究

糖尿病严重危害人类健康,无创血糖检测是医患双方的期望。人体生理背景成分复杂、易变,各种组织信息混杂,导致直接测量人体的近红外光谱很难真实反映血液中血糖浓度变化信息。提出血流容积差光谱相减法,即利用血流容积一直在变而人体组织背景和血液成分含量短时间不变的事实,通过相似背景扣除,有效消除人体组织背景干扰,获得反映血液成分信息的有效光谱信号。为验证方法的有效性,自行研制相关实验系统,获得系统噪声好于20 μAU,并在波长1 250 nm处取得信噪比为20 000∶1的有效光谱信号,阐明现有条件下血流容积差光谱相减法在近红外无创血糖检验临床应用的可行性和优势。     

Applying the reference-wavelength method to improve the precision of glucose measurement by near infrared spectroscopy

The reference-wavelength method is proposed to diminish the influence of noises on glucose measurement by differentially processing two signals at the reference and measuring wavelengths. At the reference wavelength, the radiation intensity is insensitive to the changes of glucose concentration. Therefore, it can be used as the internal reference to estimate the noise and then to extract the effective glucose signal at the other wavelengths. The validation experiments are constructed in the non-scattering samples with the reference wavelength of glucose at 1525 nm. The results show that the reference-wavelength-based glucose-specific signal extracting method can largely improve the glucose prediction precision from 17.56 to 8.87 mg/dL in the two-component experiment and from 26.82 to 9.94 mg/dL in the three-component experiment.