近红外光谱测量中温度修正方法的理论与实验研究

论文摘要

基于近红外光谱的人体血糖浓度无创检测技术已成为生物医学领域中的热点课题之一。然而,该技术目前面临的一个重要问题是:人体温度变化不可预测和控制,而温度变化会引起人体测量光谱的变化,进而影响血糖测量精度。基于此,本课题对近红外光谱测量中的温度修正方法进行了研究。论文首先分析了温度变化对于近红外光谱的影响。基于朗伯-比尔定律,并考虑摩尔吸光系数的温度变化特征,得到样品的近红外光谱随温度和葡萄糖浓度变化的关系。当样品的葡萄糖浓度和温度同时变化时,其吸光度差值信号ΔA可由两部分表示:只与温度变化相关的信号ΔAT（λ）和只与葡萄糖浓度变化相关的信号ΔA C（λ）。进一步的温度影响实验结果表明:在1200nm-1700nm的波段范围内,温度变化1℃所引起的光强变化幅度与葡萄糖浓度改变几十甚至几百mmol/L时产生的效果相当,这将严重影响近红外光谱法无创血糖测量的精度和可行性。论文在课题组陈韵的指导下,对近红外光谱的温度修正方法进行了理论和实验研究。在葡萄糖的基准波长处,光强对于葡萄糖浓度变化不敏感,该波长处的光强变化完全由温度变化引起,因而,可以根据基准波长处的光强变化拟和计算得到样品测量时的温度。相应的实验结果表明:该方法计算得到的样品温度平均误差不超过0.04℃。在此基础上,求得各测量波长处的由于温度变化引起的信号ΔAT（λ）,进而求得葡萄糖浓度特征信号ΔA C（λ）。基于该方法对不同温度下的糖水溶液的光谱进行处理,可消除温度变化对于光谱的干扰,经过修正后的各谱线按葡萄糖浓度实现了有效的区分。最后,实验分析了温度修正方法在葡萄糖浓度测量中的应用效果。在温度30℃下建立葡萄糖水溶液样品的校正集模型,然后在不同温度下（32℃变化至40℃）测量得到预测集样品的光谱。对预测集样品的光谱进行温度修正,求得其对应于30℃下的修正光谱。基于30℃的校正集模型,分别对温度修正前后的样品光谱进行预测,其结果表明,对预测集样品的光谱进行温度修正后,其葡萄糖浓度预测精度提高了250倍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 人体无创血糖浓度检测的意义
• 1.2 无创血糖浓度检测的方法及研究进展
• 1.2.1 血糖浓度无创伤检测方法概述
• 1.2.2 国内外无创血糖浓度测量的研究进展
• 1.3 本课题的研究目的和意义
• 1.4 本论文的内容及结构安排
• 第二章 近红外光谱法测量原理及系统
• 2.1 近红外光谱测量血糖浓度的理论基础
• 2.2 葡萄糖浓度测量原理
• 2.3 近红外光谱测量系统
• 2.4 小结
• 第三章 温度变化对近红外光谱的影响研究
• 3.1 温度变化对近红外光谱的影响机理
• 3.2 温度变化影响近红外光谱的理论研究
• 3.3 温度变化影响近红外光谱的实验研究
• 3.3.1 温度变化对纯水光谱影响的实验研究
• 3.3.2 温度变化对糖水溶液光谱影响的实验研究
• 3.3.3 温度影响的量化分析
• 3.4 小结
• 第四章 近红外光谱的温度修正方法研究
• 4.1 基准波长的原理
• 4.2 基于基准波长的样品温度计算
• 4.3 近红外光谱温度修正方法的理论与实验研究
• 4.3.1 基准波长光谱温度修正理论
• 4.3.2 基准波长光谱修正的实验研究
• 4.4 小结
• 第五章 温度修正法在葡萄糖浓度测量中的应用
• 5.1 温度不敏感模型建立方法的比较
• 5.2 实验内容及方法
• 5.3 多浓度样品光谱修正效果分析
• 5.4 葡萄糖浓度预测结果分析
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本论文完成的主要任务及结论
• 6.2 下一步研究计划
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢