近红外无创血糖测量——透反光谱共用理论基础及实验验证

摘要

日常的血糖监测给病人带来极大的痛苦，这使得研究一种快速便捷的方式检测血糖浓度成为人们关注的焦点。近红外光谱技术通过光谱信号分析血糖信息，被认为是最具有应用前景的无创血糖检测技术之一。近红外光对人体的伤害小，但光能量较弱，因而要充分利用可获得的有用光信息。在实验中一般可以测得的是扩散反射光谱和透射光谱，因而本文的研究目的在于从理论上寻找不同结构、不同厚度的生物组织中扩散反射率和透射率的规律，进而为联用两种光谱提供理论支撑。
　　本文首先介绍了玻尔兹曼（Boltzmann）辐射传输方程，根据外推边界条件和镜像源偶极子理论，先分析在半无限介质中光子的传播规律；接下来主要分析了单层平板（slab）结构中光子传输规律，探讨光子在slab结构中的扩散反射率和透射率的规律；最后本文对多层组织的传播规律进行了展开，对于人体实验具有指导意义。
　　然后本文基于蒙特卡洛模拟，首先对光子在半无限模型中传输进行了模拟；接着对1-6mm厚度的单层皮肤模型进行了蒙特卡洛模拟。将理论分析与模拟的结果对比，两者在整体上是一致的，这就说明理论分析的结果是可行的。这样就可以利用理论分析的结果寻找扩散反射率和透射率的关系，这对于课题组开展透反共用的研究具有重要的意义。最后对皮肤的五层结构模型进行了介绍，并进行了模拟分析。
　　最后在理论分析和蒙特卡洛模拟的基础上，本文利用实验室搭建的近红外透反射光谱检测系统，通过制备不同厚度的仿体进行实验验证。探究近红外光在1-6mm厚度的仿体中的传输规律，并将实验结果与理论和模拟所得的数据进行对比分析。通过分析可以发现，随着组织厚度的增加，反射光强在逐渐增加，而透射光强逐渐减小，这与理论分析和模拟所得规律是一致的，这说明关于反射率和透射率的公式是正确的，为后续的透反共用提供了有力的理论支持。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 无创血糖测量研究的意义及发展

1.2 近红外无创血糖测量的研究进展

1.3 近红外无创血糖检测技术中存在的难题

1.4 主要研究内容

第2章 理论基础

2.1 皮肤组织的结构和构成

2.2 皮肤组织的光学特性

2.3 蒙特卡洛模拟

2.4 本章小结

第3章 基于辐射传输方程的反射率和透射率的分析

3.1 辐射传输方程

3.2 半无限介质模型的反射率

3.3 单层平板（slab）模型的反射率和透射率

3.4 多层模型的反射率和透射率的展开

3.5 本章小结

第4章 基于蒙特卡洛模拟的反射率和透射率的研究

4.1 半无限介质模型的反射率的蒙特卡洛模拟

4.2 单层皮肤模型的透射率和反射率的蒙特卡洛模拟

4.3 多层组织的反射率和透射率的蒙特卡洛模拟

4.4 本章小结

第5章 实验系统介绍及制备仿体进行实验验证

5.1 近红外透反射光谱检测系统

5.2 仿体的制备

5.3 仿体实验

5.4 实验结果的总结分析

5.5 本章小结

第6章 总结和展望

6.1 全文工作总结

6.2 未来工作的展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢