无创人体血糖光学检测技术研究与展望

对糖尿病患者血糖浓度的频繁测定是控制病情的重要手段,但目前频繁采血的有创测量方法给患者带来了极大的痛苦和不便。本文对国内外无创血糖光学检测技术,尤其是近红外光谱检测技术的研究现状及存在的问题进行了综述,指出了无创血糖检测的技术难点和解决方案,并对未来的研究方向和发展趋势进行了展望。     

基于能量守恒与光谱法的无创血糖检测技术

传统的人体血糖检测方法是有创的,具有一定的局限性。文章提出一种结合能量守恒法与光谱法的血糖检测技术,该技术能够实现人体血糖的无创、实时和准确检测。首先设计了一种人体体征数据采集装置,用于实时采集血糖相关数据并上传至上位机。然后将数据分别用多元线性回归、k近邻回归和支持向量回归三种机器学习算法进行分析评估,对比得出最优算法用于无创血糖检测。实验证明,提出的无创血糖检测技术是可行的,其中基于支持向量回归算法的测量准确度最高,相关系数高达0.862,具有较高的准确性和鲁棒性。     

正弦调制偏振光无创血糖检测的研究

常规的有创血糖检测方法有较多的局限性,光学无创血糖检测是糖尿病患者自我血糖评估的最佳方法,提出了一种偏振光无创血糖检测方法,将正弦调制偏振光通过血糖引起的微小偏振角的变化转化为电光调制器基频和倍频两个分量的变化,由相关原理高灵敏锁相放大器检测基频信号,控制法拉第线圈电流补偿血糖引起的偏转角变化,利用血糖浓度与法拉第线圈电流的线性关系,计算获得血糖浓度。以LX-20全自动生化分析仪测得的数据作为标准进行对比实验,葡萄糖溶液实验的相关系数为0.9952。研究表明偏振光无创血糖检测方法具有较高的检测灵敏度和准确度,为研制实用的新型无创血糖检测仪打下了基础。     

近红外光谱无创血糖检测中的生理背景问题

分析了目前直接利用携带复杂组织背景信息的人体近红外光谱进行无创血糖检测方法存在的技术障碍：作为主要信息载体的人体生理背景成分复杂、易变,导致测得的人体近红外光谱无法反映血液中血糖浓度的变化信息,因此,其检测精度很难达到临床应用的要求。提出一种新方法,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,消除人体组织背景干扰,获得只反映血液信息的＂纯净＂光谱,将近红外无创血糖检测技术的重点问题转移到如何得到具有较高信噪比的光谱数据,为该技术的临床应用提供了可能性。     

OCT无创血糖检测图像处理最优化方法研究

为了解决不同的光学相干层析(OCT)图像预处理方式对皮肤真皮层散射系数计算影响的问题,提高无创血糖的测量精确度,提出了一种对OCT图像数据前期处理的最优化方法。在对采集的3维图像数据进行皮肤表面对齐、3维重建、1维平均处理的基础上,分析了背景噪声和数据是否归一化对血糖预测精度的影响,并结合临床实验进行了验证。结果表明,预测误差较预处理之前减小了18.31%。该研究对于提高基于OCT技术的光学无创血糖测量精度具有重要的参考价值。     

无创血糖检测光声信号的特征提取

针对有创血糖监测会带来二次感染的风险而提出的无创血糖检测方法,该方法的信号特征在复杂环境下不易提取。为了更方便地提取出光声信号,提出了一种基于Laplace小波变换提取光声信号的方法。结合光声原理、压电陶瓷等效电路模型,提取光声信号的基本特征信号,采用该基本特征信号作为Laplace小波基,在实际制作的光声检测系统,对100mg/dL~400mg/dL四组不同浓度的葡萄糖溶液的实际信号分析,经提取后的光声信号与葡萄糖浓度有显著线性特征。     

OCT无创检测技术的人体血糖平衡延迟时间研究

为了研究在人体血糖快速变化情况下,皮肤组织液糖浓度与血液(指血、静脉血)中血糖变化的延迟关系,采用光学相干层析技术,通过人体口服葡萄糖耐量测试和血糖钳夹实验,测量了随血糖变化的皮肤光衰减系数,并对人体血糖平衡延迟时间问题做了研究。为了避免由于延迟因素造成预测血糖值误差过大,选择700m ~800m以下皮肤深度的真皮网状层作为分析计算区域。结果表明,延迟时间一般随着皮肤区域深度的增加而缩短;在不同的皮肤深度区域,血糖平衡延迟时间存在一定的差异性。此研究有助于提高光学无创血糖检测的准确性和可靠性。     

血糖浓度无创监测的建模与预测

将近红外漫反射光谱技术应用到血糖无创监测中,实验使用傅里叶近红外光谱仪及其光纤附件采集志愿者指尖的近红外漫反射光谱。并对光谱进行平滑,基线校正和一次求导预处理,采用偏最小二乘法建立校正模型。采集漫反射光谱的同时抽适量的血样在分光计上标定血糖的实际值,并对校正模型计算值和实际标定值进行比较,结果表明个体建模的相关性很好,相关系数达到0.891以上,均方差小于0.122。     

无创血糖测量的测量界面稳定性研究

构建了近红外光谱无创血糖测量系统,研究了活体无创血糖测量时测量界面稳定的影响,得出了测头与接触部位刚好完全接触时为最佳接触状态和测头与被测部位接触30s后为最佳测量时间的结论,保证了测量界面的稳定性。实验结果表明,用偏最小二乘(PLS)回归法建立校正集模型,预测均方根误差(RMSEP)分别为0．56mmol／L和0．50mmol／L。     

动态光谱法对提高近红外无创血液成份检测精度的理论分析

近红外光谱无创血液成分检测因测量方法具有优越性,已经成为生物医学领域的研究热点之一.但除血氧以外,目前还没有进入临床应用的报道,其原因在于个体差异和测量条件对检测精度的影响.研究了一种不同于传统的新检测方法-动态光谱法可使测量精度提高.先从检测原理出发,研究了传统的近红外无创血液成分测量过程中产生误差、造成测量精度较低的因素;再分析了动态光谱法对这些因素的抑制或克服.从理论上得到了动态光谱法可以大大提高血液成分无创检测精度的结论,为基于光谱法的无创血液成分检测的临床应用提供了条件.     

A Weak Signal Extraction Method for Human Blood Glucose Noninvasive Measurement using Near Infrared Spectroscopy

Background interference from optical absorption of matrix components, low spectral selectivity and low spectral sensitivity are the main interference factors for human blood glucose noninvasive measurement using near infrared (NIR) spectroscopy. In order to extract the weak glucose concentration information, a modified uninformative variable elimination (mUVE) method combined with successive projections algorithm (SPA) named as mUVE-SPA, is proposed. mUVE is used to eliminate matrix background and high-frequency noise by wavelet multi-resolution technology. SPA is followed to select variables with minimum colinearity by projection algorithm in a vector space. The proposed method was applied in two NIR spectra data sets (plasma samples experiment in vitro and human blood glucose noninvasive measurement experiment in vivo) respectively. The performance and adaptability of the proposed strategy were discussed. The results indicate that the proposed hybrid method can give an alternative path to extract weak glucose information and yield more parsimonious models with higher precision.     

近红外光谱无创伤血糖浓度测量的内部干扰因素分析

生理变化是血糖无创伤测量过程中重要的干扰因素,而且不受人为控制.分析了温度变化对于组织的近红外吸收和散射特性的影响机制、特点和定量关系,以及对比研究了体内非糖成分变化与葡萄糖变化对组织光学特性的影响比例和速度.这些内部干扰因素的研究有助于探索新的光谱信号采集和处理方法,从而促进血糖无创伤测量的实现.     

天基电子侦测中的阵列信号处理技术

随着应用需求和科学技术的发展,电子侦察卫星的星上处理能力日益增强。以微弱信号截获、同频多信号侦察、高分辨测向、高精度定位为出发点,分析了天基电子侦测中的阵列信号处理技术,并针对有效载荷的特殊要求进行专门设计。通过利用天线阵列几何结构综合、数字波束形成、空间谱估计测向、基于多次测量数据的最优化处理方法,可以实现快速侦察、目标信号提取和精确定位。     

阵列信号波束合成的光学实现技术

波束合成是阵列信号处理的一个重要内容,随着阵列单元数目的增加,传统电子学信号处理方法面临带宽、速度和功耗的挑战,光学处理技术由于其高度的并行性和超高的带宽,是未来此问题的理想解决方法之一.介绍了波束合成的四种光学处理方法,即纤维光学技术、空间光谱技术、光折变晶体技术和相干光学,分析了它们各自的工作原理和技术特点.     

集中式MIMO雷达阵列信号处理技术研究

根据集中式多输入多输出雷达信号模型,给出了其阵列信号处理的处理流程。该文对频率编码正交信号的阵列信号处理方法进行了研究。基于该正交信号的信号模型,针对其互相关及自相关性能讨论了信号参数关系。进而研究了在处理中需关注的运动补偿、接收波束展宽、发射波束合成宽带等问题。文中分析了该正交信号阵列通道误差,给出了误差校准方法,并进行仿真验证,说明了方法的有效性。最后给出了详细的处理流程,并对主要的处理运算量进行了评估,对工程应用有指导意义。     

阵列信号处理实验平台设计

本文针对一维线阵和二维面阵的阵列信号处理算法研究,设计了一种发射阵列和接收阵列上下交错排布的二维稀疏超声相控阵列信号处理实验平台,并给出了实验平台的硬件总体功能设计、发射和接收电路设计及软件架构。相控阵声场特性仿真分析结果表明该实验平台具有较好的波束成形和波达方向估计效果。     

麦克风阵列信号处理的研究现状与应用

在回顾麦克风阵列信号处理研究历程的基础上,对麦克风阵列信号处理的特点进行分析,总结了目前的研究热点问题及现有算法并对各算法的优缺点进行比较,重点阐述了使用最为广泛的声源定位算法,最后介绍几个有价值的应用领域,为进一步研究麦克风阵列信号处理奠定基础。     

时频分析在阵列信号处理中的应用

时频分析已经应用到了许多领域 ,Forrester,Atlas et al.和 Williams最先认识到时频分析在机器故障检测这一领域的重要性 ,并且做了大量的研究工作。在生物和生物医学中 ,时频分析的应用也很广泛。在通信领域 ,A m in也把时频分析作为一种有效的工具来使用。当然 ,时频分析在信号检测与信号分类中也得到了广泛的应用。近来 Am in将时频分析应用到统计信号处理和阵列信号处理之中 ,取得了很多重要的进展。本文主要综述时频分析在阵列信号处理中的应用。时频分析在阵列信号处理中主要有两方面的应用 ,一是时频 MUSIC,一是空时频分布     

ICA及其在阵列信号处理中的应用研究

独立成分分析（Independent Component Analysis,ICA）是一种有效的盲信号分离（Blind Source Separation,BSS）方法。当目标源信号相互独立时,它能从多通道的混合观测信号中将目标源信号分解开来。本文通过对ICA的详细介绍,对比了ICA模型和阵列信号处理模型的特点,分析了二者的关系,并就二者的综合应用进行了研究,同时对盲波束形成、雷达信号分选和外辐射源雷达信号分离等典型应用进行了介绍和评价。     

基于自适应滤波的宽带阵列信号处理技术

自适应滤波是近30年以来发展起来的一种滤波方法。它是在维纳滤波、Kalman滤波等线性滤波基础上发展起来的一种最佳滤波方法。由于它具有更强的适应性和更优的滤波性能,因此在实际工程中,尤其在信息处理技术中得到了广泛的应用。这里将自适应滤波技术应用于电子对抗领域,解决电子战多通道宽带接收机之间的幅度、相位不一致性问题,并实现了基于自适应滤波的宽带波束形成方法。