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。     

基于光信息处理技术的无创血糖测量方法

血糖无创检测技术是在不损伤皮肤的条件下测量出人体血液中血糖浓度的新方法。它能解除糖尿病患者经常化验所需要的针刺取血的痛苦，避免病毒通过血液传染的危险。同时它能有效地提高对血糖监测的水平，降低患者的危险。本文对国际上无创血糖测量技术的研究现状进行了综述和分析，介绍了几种具有代表性的无创检测仪器的原理，分析了各种测量方法的优缺点，指出了未来血糖无创检测技术研究的发展方向。     

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%。     

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...     

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。     

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。     

用于无创血糖检测的调频连续波激光雷达技术理论分析

连续无创血糖检测能够更好地实现对糖尿病的管理和治疗.提出一种利用调频连续波(FMCW)激光雷达技术实现无创血糖测量的方案,通过检测皮肤散射系数的改变来测量血糖浓度的变化.与传统的光学相干层析成像血糖检测法相比,结构更简单,利于实现仪器的小型化、便携化.FMCW激光雷达无创血糖测量系统采用差分干涉的方法,将时域的信号转移...     

基于可见光图像的无创血糖测量仿体实验验证

基于光学测量的无创血糖检测是目前生物医学领域的研究热点,但由于存在信噪比低、背景噪声干扰、准确度不高等问题,该无创血糖检测方法还停留在实验阶段,无法应用于临床实践。针对这些问题,提出了一种基于可见光图像的无创血糖检测方法。该方法通过采集到的散射图像,采用梯度增强决策树算法,建立了散射图像特征参量与血糖浓度关系的回归模型,并通过仿体实验验证了模型的准确性。实验结果表明,利用梯度增强回归模型,可以对可见光散射图像与葡萄糖浓度的关系进行建模,一致性决定系数可达0.929,葡萄糖检测精度平均绝对误差为0.156g·L~(-1)。     

用于血糖无创检测的喇曼光谱系统

以铊掺杂自聚焦透镜作为光谱采集透镜,设计了一种小型可穿戴式光谱采集探头,在此基础上搭建了一种小型可穿戴式血糖喇曼光谱检测系统.利用该系统对不同浓度的葡萄糖溶液、11只实验白鼠以及10位人体志愿者进行测试.以光谱特征峰面积作为主要计算参考,以峰强度作为辅助参考进行光谱定量分析.针对不同样本分别建立基于主导因子的非线性多变量偏最小二乘模型以计算葡萄糖水平.计算结果表明葡萄糖溶液、实验白鼠以及人体的准确度分别为98.1%、89.3%和84.4%,测试准确性得到提高.该检测系统具有体积小、成本低、喇曼信号采集稳定、使用方便等优点,能够准确实现人体血糖的无创检测并具有较好的可重复性.     

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。     

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。     

强度调制偏振光谱仪解调系数参考光测量方法

针对由理论计算得到的解调系数无法实现强度调制偏振光谱仪实验系统(以下简称"实验系统")测量数据解调处理的问题,提出了测量参考光获取实验系统解调系数的解决方法。该方法通过测量已知偏振态参考光经过实验系统调制器后输出的强度谱,结合傅里叶变换、滤波和逆傅里叶变换等数字信号处理过程,可从测量结果中分离出实验系统的真实解调系数。分析了该方法的理论依据,给出了实验系统解调系数的实测结果,并利用得到的解调系数,对实验系统测量典型待测光源(近似自然光和完全线偏振光)的测量数据进行了解调处理。解调处理结果显示:在有效测量波段范围内(550～650nm),以卤钨灯为光源的平行光管直接输出光的偏振度值约为10%;经过线偏振器起偏后,其偏振度值接近100%,与实际分析结果完全相符。验证了强度调制系统解调系数参考光测量方法的可行性。     

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。     

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。     

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。