近红外多波长无创血糖检测仪的研制

摘要

糖尿病是威胁人类健康的全世界范围内流行性疾病。它可导致多种并发性疾病发生，成为人类死亡的第二大杀手。本实验室长期从事血糖检测仪器的研究，为了更好地研制出高精度的无创血糖测试仪，本文在实验室前期的研究方法基础上，结合近红外物质的近红外光谱可以在分子层面上结合计算反应出物质所含成分浓度和属性，利用近红外光通过人体组织形成吸收光谱的原理，基于人体光电容积脉搏波提取其动态光谱，建立血糖的定量分析模型，实现对人体血糖的无创检测。 本文提出的多波长近红外无创血糖检测系统研究，首先，以系统检测探头对人体食指采取透射方式探测，采集到四路不同波长近红外光对应的光电容积脉搏波信号。然后，采用经验模态分解结合小波软阈值去噪和三次样条插值算法对采集到的人体光电容积脉搏波做去噪预处理，去除信号的高频噪声和基线漂移，并用信号的频谱进行算法效果评价。随之，采用光电容积脉搏波频域分析原理，将每一个近红外波长相应的脉搏波进行对数变换后的傅里叶变换，提取基波分量，作为模型的输入参量，同时用微创血糖仪检测人体真实的血糖浓度作为模型的输出参量。最后，深入研究近红外光谱分析中常用的多元校正方法，提出常用的线性偏最小二乘法无法适用于本研究中的模型，进一步分析基于扩展输入矩阵的非线性PLS模型RBFPLS和基于神经元网络的非线性PLS模型NNPLS，选择RBFPLS算法模型结合交叉验证的方法预测人体血糖浓度。对该系统进行效果分析，血糖浓度预测值与微创检测方法检测的结果相关性达到了86.5%,预测均方根误差为0.56mmol/L，Clarke栅格图分布于高性能区的概率达85%。 本研究验证了基于近红光谱法无创检测人体血糖浓度的可行性，对系统建模算法进行了非常有意义的研究，并制作硬件系统。研究成果亦可用于光学方法检测人体血液成分浓度的其他领域的应用中。

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第一章 绪论

§1.1 课题的研究背景和意义

§1.2 无创血糖检测方法现状

§1.3 论文主要研究的关键技术

§1.4 论文结构安排

第二章 近红外方法无创检测血糖原理

§2.1 近红外光谱研究发展历程

§2.2葡萄糖的吸收特性

§2.3近红外光谱分析

§2.4动态光谱法

§2.5 本章小结

第三章 脉搏波预处理算法研究

§3.1 脉搏波预处理算法需求

§3.2 算法推导与分析

§3.3 脉搏波预处理方法的应用

§3.4 实验效果分析

§3.5本章小结

第四章 无创血糖检测平台的设计

§4.1 测量位置和波长选取

§4.2 四波长光电容积脉搏波测量系统设计

§4.3本章小结

第五章 近红外光谱定量分析和实验结果

§5.1 动态光谱数据建模

§5.2 定量分析算法

§5.3 临床实验研究

§5.4 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 主要工作成果

§6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果