近红外无创血糖测量—信号构成和拾取的理论及实验研究

论文摘要

糖尿病及其并发症已经成为严重威胁人类健康甚至生命安全的全球性病症。血糖浓度无创伤检测技术具有无痛苦、无感染等优点,对减轻糖尿病患者的痛苦、实现血糖浓度的实时监测具有非常重要的现实意义。基于此,本课题对近红外光谱人体血糖浓度无创测量方法进行了系统研究。从信号来源的角度,首次系统分析了近红外光谱人体血糖浓度测量中光谱信号的构成,并基于自行研制的光谱仪,定量分析了测量过程中的各种噪声对葡萄糖浓度预测的影响。结果表明,测量条件变化导致的噪声对葡萄糖浓度的测量误差起决定作用,基线漂移和热噪声的影响几乎可以忽略。研究了近红外光谱分析中的偶然相关及其对模型的影响,PLS模型产生偶然相关的概率远低于MLR模型,如果以RC 2V >0.8为模型的判断标准,则PLS模型偶然相关的概率可忽略。在离体实验中,随机采样和扣除背景的方法可以避免或降低由于仪器漂移或仪器状态变化引起的偶然相关,而合理的实验设计可以避免成份之间的偶然相关。在活体实验中,偶然相关难以判断,提出了利用背景光谱张成的子空间提取葡萄糖净信号的方法,以避免参考浓度误差和偶然相关的影响。研究了近红外光谱分析中的最佳光程长,从理论推导和实验结果两方面证明,多波长组合最佳光程的方法能极大地提高近红外光谱模型的精度。并通过蒙特卡罗方法计算了光子在皮肤各层中传播的平均光程。结果表明,光子在真皮层传输的平均光程接近于葡萄糖水溶液的最佳光程,基于真皮层光子信息的检测系统的精度可达4.21mg/dl,能满足人体血糖浓度5mg/dl的精度要求。基于蒙特卡罗方法的模拟结果,葡萄糖浓度增加1mM导致漫反射光强降低7. 3×10-3%,而人体温度降低0.1℃,漫反射光强降低0.255%。在严格控制的实验条件下,两名正常志愿者的活体实验表明,手掌部位采集的近红外光谱中确实携带了血糖浓度变化的光谱信息,仪器和其它生理过程导致的光谱变异对葡萄糖浓度模型的影响并不显著。以生理状态不变的光谱为背景计算得到的OGTT实验对象的净信号,在外形上与离体实验的葡萄糖净信号有区别,而在数值上远大于离体实验和模拟实验的结果。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 人体血糖浓度无创测量的意义
• 1.2 人体血糖浓度无创测量的研究进展
• 1.3 本课题的研究目的和意义
• 1.4 本论文的主要研究内容及结构安排
• 第二章 人体血糖测量的光谱信号结构的理论分析
• 2.1 概述
• 2.2 测量系统的误差对近红外光谱的影响
• 2.3 测量条件变化对近红外光谱的影响
• 2.4 葡萄糖浓度变化对近红外光谱的影响
• 2.5 被测对象自身生理变化对近红外光谱的影响
• 2.6 近红外光谱无创血糖测量系统的误差分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 近红外光谱分析中的偶然相关及净信号的提取
• 3.1 概述
• 3.2 近红外光谱分析中的化学计量学方法
• 3.3 化学计量学方法自身产生的偶然相关研究
• 3.4 光谱测量过程中产生的偶然相关研究
• 3.5 近红外光谱分析中净信号的提取方法研究
• 3.6 本章小结
• 第四章 近红外光谱分析中的光程长的理论和实验研究
• 4.1 概述
• 4.2 模型的预测误差与品质因素的关系
• 4.3 近红外光谱离体测量中的最佳光程长研究
• 4.4 近红外光谱活体测量中的平均光程长研究
• 4.5 基于真皮层光子信息的血糖测量系统的精度估计
• 4.6 本章小结
• 第五章 无创伤血糖检测中的综合分析方法的研究
• 5.1 概述
• 5.2 近红外无创伤血糖浓度检测系统介绍
• 5.3 经皮漫反射光谱中葡萄糖浓度和温度变化的信号估计
• 5.4 经皮漫反射光谱中葡萄糖浓度信息的提取
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本论文的主要研究内容及结论
• 6.2 本论文的主要创新点
• 6.3 下一步研究方案
• 参考文献
• 博士期间发表的论文和参与的科研项目
• 致谢