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。     

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。     

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。     

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%。     

基于近红外光谱技术的人体血糖浓度无创检测系统的研制

开发了一种小型化人体血糖浓度无创检测系统,该系统可实现人体血糖浓度的快速、实时、无创检测,主要由嵌入式系统、夹具、光源系统和微型光栅光谱仪四部分组成。提出了一种光源稳压驱动电路方案,可满足多种光谱采集条件对光源的要求。同时提出了一种一体化夹具设计方案,不仅简化了系统的光学结构,而且提高了测量条件的可重复性。分别用小波去噪和核偏最小二乘法对采集的光谱数据进行预处理和数学建模,并对系统进行性能评价,血糖浓度预测值与标准值的相关系数为0.95,预测均方根误差为0.6mmol.L-1,系统的重复性较好。     

近红外无创生化检测中不同光程的光谱校正模型研究

近红外无创生化检测中采用不同血流容积光谱相减的方法理论上能够消除人体组织产生的强背景干扰,但人体光谱相减后得到的血液光谱的光程是未知的,这给校正模型的建立带来了困难。通过设计模拟实验并采用正交信号校正的方法对光程信息进行校正,提高不同光程的光谱建立校正模型的预测精度。分别建立了光程校正前后的模型,模型的交叉验证标准偏差从90.17mg.dL-1下降到31.62mg.dL-1,相关系数从0.978 7提高到0.996 8。实验结果表明,采用正交信号校正的方法能够有效抑制光程信息的干扰,提高模型的预测精度,这为不同血流容积光谱相减法的实际应用提供了基础。     

近红外光谱无创血糖检测的模拟样品试验研究

提出了采用牛奶作为模拟样品,对血糖测量中的测量方法和波长选择等基础问题进行了研究。在1560～1750nm和2090-2190nm的波段：对模拟样品的近红外漫反射光谱,分别采用多元散射校正(MSC)、一阶微分和矢量归一化进行预处理,用偏最小二乘法(PLS)建立了乳糖的校正模型。在2090～2190nm波段内,采用一阶微分配合多元散射校正,模型相关系数达到0．99,预测集样本的标准偏差(RMSEP)达到0．045。以上研究结果为血糖测量的深入研究提供了理论和实践上的指导。     

近红外光谱人体血液甘油三酯无创检测

为实现人体血液甘油三酯(TG)含量无创检测,应用近红外光谱技术(NIRS),对单体TG进行定量分析。通过离体实验优选检测波段(5 700～5 600和4 600～4 400 cm-1),优化设计检测探头,综合预处理方法等手段,对其中TG含量进行定标和预测。以期提升单体TG无创检测精度及稳定性。无创采集54组单体光谱数据,并对其中TG含量进行定标预测,经对比分析确定平滑滤波(SG)结合偏最小二乘方法(PLS)的定标模型稳健性最优,对预测集1,2样品最佳分析结果：预测标准偏差RMSEP分别为12和12.8 mg·dL-1,相对预测标准偏差RSD为16.25%和17.33%,预测精度理想,基本可用于单人TG的日常监测。鉴于SG-PLS模型在单体TG无创测量及日变化趋势预测方面的良好表现,NIRS分析技术将在TG无创检测与日常管理领域有更为广泛的应用前景。     

人体血糖浓度近红外光谱无创检测过程中温度对结果的影响

利用近红外光谱进行人体血糖浓度无创检测过程中,检测结果会受到很多的因素影响,如测量温度,压力等,另外还有人体的状态。在这诸多的影响因素中,温度是一个不可忽视的因素。为了研究温度对测量结果的定量影响,文章采用葡萄糖水溶液,在15,20,25,30,35,40 ℃等六个温度点处做了研究,样品浓度范围为10～200 mg·dL-1,浓度间隔为10 mg·dL-1,波长范围为1 100～1 700 nm。在各温度点处建立模型,并利用不同的模型进行相互预测。建模结果为RMSEP值最大为11.227 9 mg·dL-1,最小为3.298 8 mg·dL-1,相关系数在0.98左右。当温度改变1 ℃时,预测结果会有平均Δc＝2.662(mg·dL-1·℃-1)的预测误差,这结果表明当建立模型温度与测试时的温度一致时误差最小。另外,文章提出了可以采用两种方法来减小或者补偿由温度给测量结果来的影响。     

无创人体血糖检测光学方法的研究现状与发展

糖尿病威胁着人类健康,血糖有创检测的弊端使无创检测方法成为糖尿病患者的迫切需求,无创血糖检测也因此成为国内外学术界研究的热点。但到目前为止还没有一种无创检测仪器有足够的精度能够应用于临床。文章中介绍了研究较多的光声光谱法、拉曼光谱法、荧光法、偏振光旋光法、光学相干层析成像法,近红外光谱法等光学光谱检测方法的原理、方法、特点以及当前国内外研究现状和进展。从中分析了限制血糖浓度无创检测应用于临床的技术难点问题及未来的研究方向,指出动态光谱方法是无创血糖测量中最有应用前景方法之一。     

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。     

Instrumental Requirements for Non-Invasive Blood Glucose Measurement Using NIR Spectroscopy

The magnitude of spectral change in blood glucose measurements with diffuse reflectance spectroscopy is investigated. Spectral change is estimated by simulation of light propagation in skin tissue and measurements of absorbance spectra of aqueous glucose solution. Required sensitivity of spectrophotometers for monitoring change in the blood glucose concentration as small as 10 mg/dL has been obtained using the estimated change in the absorbance spectrum and mean pathlength of light in tissue.     

中红外光谱法在无创血糖检测技术中的应用

构建了中红外无创血糖检测的实验方案,利用傅里叶红外光谱仪对葡萄糖溶液及手指进行了中红外光谱检测并进行分析,得到葡萄糖的中红外特征吸收峰在1000cm^-1附近,证实了中红外光谱在无创血糖检测中的可实现性,选择激光器和光导探测器进行特征峰处的光电检测实验,并得到了有效信号。     

中红外无创血糖研究进展并论角质层影响

在介绍中红外无创血糖研究进展的基础上,实验探讨了组织液渗透到手指皮肤表面时,角质层对血糖测量的影响.加入角质层干扰信息前,用偏最小二乘法(PLSR)建立了模拟组织液中葡萄糖定标模型,其内部交叉验证均方差(RMSECV)为9.6 mg/dL;加入三个志愿者手指皮肤吸收的干扰信息后,所得三个模型的RMSECV分别为17.4...