近红外无创血糖测量——基准波长浮动基准法的研究

摘要

近红外光谱无创血糖检测技术是至今尚未实现临床应用的国际前沿课题，其关键问题在于光谱容易受到人体生理条件变化等的干扰，导致血糖浓度的测量精度无法达到要求。针对该问题，本文基于葡萄糖与水的分子置换原理，通过研究不同波长下吸收系数与散射系数的变化规律，验证了溶液吸光度变化量与葡萄糖浓度无关的基准波长的存在特性，并提出了以基准波长处的光信号作为内部参考对光谱进行修正的解决方案。
　　 本文首先系统研究了葡萄糖基准波长的存在特性。基于葡萄糖分子与水分子之间的氢键键合原理，研究了葡萄糖与水之间的分子置换机理。理论推导了纯吸收介质和混浊介质条件下基准波长的存在公式。分别基于葡萄糖水溶液和2％Intralipid溶液的实验，验证了葡萄糖基准波长的存在特性，实验结果与理论计算结果相符：纯吸收介质中的基准波长位于1525nm、1832nm和2062nm，2％Intralipid溶液中的基准波长位于2090nm和2180nm。在人体皮肤光学参数范围内，研究了样品散射状态变化对基准波长的影响，为人体无创血糖检测中基准波长的选择提供了理论依据。
　　 提出了利用基准波长对待测对象进行高精度温度测量的方法。理论分析了温度影响近红外光谱的物理基础，并研究了温度变化对葡萄糖浓度测量精度的影响。利用基准波长处的吸光度变化量与葡萄糖浓度无关的特性，提出一种基于基准波长的温度测量方法。分别在纯吸收介质样品和混浊介质样品中对上述温度测量方法进行了验证实验，结果表明，该方法对两种介质样品的测温精度分别为0.037℃和0.1℃，且测温结果不受溶质浓度的影响。该方法能直接测量得到样品内部的温度，因此有可能应用于人体无创血糖检测中，用来对光谱的真实温度进行测量。此外，其它物质在近红外波段也存在相应的基准波长，因此本文提出的方法也适用于对这些物质的水溶液样品进行温度测量。
　　 提出了一种利用基准波长对样品光谱进行修正的基准波长内部参考检测技术。分析了人体光谱测量中的干扰因素，以及常用的光谱数据处理方法。推导了利用基准波长消除光谱中外界干扰的理论公式，并对上述基准波长法在消除温度变化和光源漂移影响中的效果进行了实验分析。纯吸收介质和混浊介质样品的实验结果表明，应用基准波长法对光谱数据进行处理后，两种介质样品的葡萄糖浓度测量精度比扣相邻背景法的测量精度分别提高了21.7％和11.7％。由于基准波长法采用基准波长处的光信号作为内部参考，不需要光学性质与被测对象类似且光学参数同步变化的参考物，因此更适于在人体无创血糖浓度检测中加以应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1人体无创血糖浓度测量的意义

1.2人体无创血糖浓度测量的方法及研究进展

1.3人体无创血糖浓度测量中的存在问题及解决方案

1.3.1人体无创血糖测量中的问题

1.3.2光谱测量中的浮动基准方法

1.4本论文的主要研究内容及结构安排

第二章基准波长的存在特性研究

2.1基准波长的物理基础

2.1.1水分子的缔合作用

2.1.2水与溶质的相互作用

2.1.3葡萄糖在水中的溶解

2.1.4溶质对水置换作用的实验验证

2.2纯吸收介质中的基准波长

2.2.1纯吸收介质中基准波长的理论研究

2.2.2纯吸收介质中基准波长的实验研究

2.3混浊介质中的基准波长

2.3.1混浊介质中基准波长的理论研究

2.3.2混浊介质中基准波长的实验研究

2.4基准波长的选择

2.4.1光谱仪器精度对基准波长应用的影响

2.4.2样品散射状态对基准波长应用的影响

2.4.3温度对基准波长应用的影响

2.5本章小结

第三章基于基准波长的温度测量方法的研究

3.1温度影响近红外光谱的物理基础

3.1.1近红外光谱的原理

3.1.2温度对近红外光谱的影响

3.2温度对近红外光谱法测量精度的影响

3.3常用的温度测量方法

3.4基于基准波长的温度测量方法

3.4.1纯吸收介质样品的温度测量

3.4.2混浊介质样品的温度测量

3.5本章小结

第四章基准波长法用于光谱修正的理论和实验研究

4.1人体无创血糖检测中的干扰因素

4.2近红外光谱测量中的光谱数据处理方法

4.3基于基准波长的光谱修正方法的研究

4.3.1基准波长法的理论推导

4.3.2基准波长法消除光谱漂移影响的研究

4.3.3基准波长法消除温度影响的研究

4.4本章小结

第五章总结与展望

5.1本论文的主要研究工作及结论

5.2本论文的主要创新内容

5.3未来研究的展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢