基于多波长LED的动态光谱测量系统

摘要

血液成分含量是评价人体健康状况的重要信息。为此，研究人员对近红外光谱血液成分无创检测方法投入了大量的精力。但测量条件和个体差异的存在，使得该方法至今未能实现临床应用。而新近提出的动态光谱法有望解决这一问题。
　　 本文首先简要介绍了近红外光谱血液成分无创检测技术的研究成果以及可以消除个体差异和测量条件影响的动态光谱法及动态光谱数据的频域处理方法，并在此基础上搭建了一套成本低、体积小、测量方便的动态光谱测量系统。本文的主要工作和创新点如下：
　　 1.设计并搭建了一套八波长LED的动态光谱测量系统。系统采用可见光及红外区域内的8种波长的LED作为光源，具有成本低，体积小，可控性好等优点。同时设计了光源驱动电路，将不同波长下的光电脉搏波信号调制到不同频段便于之后数据分析时的信号检出。采用光电倍增管做光电传感器，并设计了相应的光电转换及放大电路，尽可能保证动态光谱法所要求的高测量精度。数据采集方面采用数据采集卡，使用方便，尽可能保证动态光谱法要求的高采样率。在数据处理方面，采用数字锁相放大技术来检出各波长下的光电脉搏波信号，并研究及应用了一种基于数字锁相和过采样技术的快速算法，实验证明，该算法可以加快系统的数据分析速度，并降低系统对存储空间的要求。
　　 2.对该系统的测量数据进行了可靠性验证实验，得出结论：该系统的测量数据在一定程度上可以反应人体血液成分的浓度信息。之后利用该系统测得的动态光谱数据，以血糖浓度为例，采用偏最小二乘法建立模型，结果表明使用该动态光谱测量系统进行血糖浓度定量分析基本可行。最后介绍了引入谐波分量的光谱计算方法，并对该法的建模效果进行了分析。

目录

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第一章绪论

1.1血液成分的近红外检测方法及其现状

1.1.1血液成分无创检测的意义

1.1.2近红外血液成分无创检测的研究现状

1.1.3近红外血液成分浓度无创检测的困难

1.2动态光谱法

1.2.1光电脉搏波产生原理

1.2.2动态光谱法原理

1.2.3动态光谱法的频域处理

1.2.4动态光谱检测的步骤

1.3课题的研究目的和意义

1.4论文的主要研究内容及结构

第二章系统的硬件设计

2.1光源及驱动电路

2.1.1光源的选择

2.1.2光调制的频分法和时分法

2.1.3驱动电路

2.2光电传感器

2.2.1光电倍增管

2.2.2光电转换电路

2.3数据采集卡

2.3.1数据采集卡的选择

2.3.2 PCI-6281采集卡

2.3.3采集卡的驱动

2.4小结

第三章系统的软件设计

3.1虚拟仪器技术

3.1.1虚拟仪器的基本概念

3.1.2虚拟仪器的主要特点

3.1.3虚拟仪器集成开发环境LabVIEW

3.2系统软件的总体设计

3.3核心模块

3.3.1数据采集模块

3.3.2同步时钟I/O控制模块

3.3.3数据读取及存储模块

3.3.4数据分析模块

3.4程序的运行及显示界面

3.5小结

第四章频分调制模式下的动态光谱数据提取快速算法实现

4.1过采样技术

4.2快速算法分析

4.3快速算法在动态光谱检测系统中的实现

4.3.1图形化语言(G语言)程序设计

4.3.2 CIN节点程序设计

4.3.3程序效率对比

4.4小结

第五章系统性能分析及建模研究

5.1系统的动态光谱法数据可靠性验证实验

5.1.1实验数据来源及对照数据设计

5.1.2实验结果分析

5.1.3实验结论

5.2偏最小二乘法建模的研究

5.2.1偏最小二乘回归的原理

5.2.2主成分数的确定——交叉有效性

5.2.3模型评价指标

5.2.4实验对象及测量方法

5.2.5数据处理与分析

5.3引用谐波分量对建模效果的影响

5.3.1引用谐波分量

5.3.2谐波次数选取的实验及分析

5.3.3引入谐波分量的光谱数据建模

第六章结论与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢