近红外无创血液成分测量—动态光谱检测理论及信号提取方法研究

摘要

血液中各种化学物质的成分，是临床诊断中常用的重要生理指标。采用近红外光谱法进行无创血液成分检测已经成为生物医学工程领域的研究热点之一。本文将差分光谱概念引入近红外光谱无创人体成分检测技术中，力图解决个体差异以及某些测量条件对检测结果的影响。对利用循环系统中血液的脉动特性采集动脉血液差分光谱的动态光谱检测技术进行了深入的研究，完善了动态光谱信号提取方式，并对动态光谱检测的两个主要干扰因素——接触压力以及散射影响进行了研究。 对混浊介质中的透射差分光谱进行了研究。结果显示，只要在检测过程中维持组织初始厚度不变，并获得差分前后的组织厚度变化量。差分光谱由组织光学参数决定，而后者反映了组织成分的浓度信息。文中给出了三种可应用于人体组织成分检测的差分光谱检测方式，其中最为典型的为利用人体血液的脉动现象，从多波长光电容积脉搏波中提取动脉血液差分光谱的动态光谱检测。 根据动态光谱的定义，给出了三种动态光谱检测方法。提出在多波长动态光谱检测中存在相移波形误差，并基于误差分析结果，对动态光谱信号检测和提取技术中的检测频率、信号截取位置、信号截取长度等进行了多方面的研究。 提出基于多波长动态光谱幅值比的奇异值剔除方法，该方法更适合于在含有基线波动的光电容积脉搏波中，可以很好地区别由于基线漂移引起脉搏波绝对幅值的变化，和基于由于单一光谱幅值异动产生的奇异点。 通过实验方法，测定了接触压力的改变对光电容积脉搏波交流分量、直流分量、各波长交流分量比值等特征参数的影响。结果显示，接触压力对光电容积脉搏波的直流分量、交流分量均有明显的影响，但对各波长交流分量间的比值，即归一化动态光谱的影响很小。 分别研究了薄层脉动动脉血液层以及各层静态组织的散射作用对动态光谱检测结果的影响。结果显示静态组织对动态光谱检测有一定的影响，且脉动动脉血液中的等效光程长具有一定的波长特性，这些因素在检测中必须予以考虑。 动态光谱为近红外光谱技术在无创人体成分检测技术中提供了一个全新的思路，具有广阔的发展前景。本文的研究成果为该方法的成功实施奠定了理论和实验基础。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1人体血液成分浓度无创测量的意义

1.2人体血液成分浓度近红外无创测量的研究进展

1.3本课题的研究目的和意义

1.4本论文的主要研究内容及结构安排

第二章差分光谱理论及检测方法

2.1概述

2.2采用漫射光谱测量血液成分浓度的原理

2.3皮肤的组织结构及成分

2.4光在皮肤组织中传输的理论模型

2.5差分光谱检测理论

2.5.1 差分光谱检测原理

2.5.2 差分光谱检测方法实验验证

2.6差分光谱检测方法

2.6.1 动态光谱检测方法

2.6.2 双探头传感器差分光谱检测方法

2.6.3 变光路长差分光谱检测方法

2.7小结

第三章动态光谱检测理论及其信号提取方法

3.1光电容积描迹法

3.2动态光谱的检测原理

3.3动态光谱仪的组成方法

3.4影响动态光谱检测精度的生理因素

3.5傅立叶变换原理

3.6光电容积脉搏波信号特征

3.7动态光谱幅值的提取

3.8脉搏波的数据段截取方法

3.8.1 光电容积脉搏波的波形特征点

3.8.2 多波长检测中的相移波形误差

3.8.3 考虑相移波形误差的数据截取方法

3.9信号采样频率的确定

3.10脉搏波数据段的截取长度

3.11动态光谱频域提取与时域提取的比较

3.12多通道脉搏波信号提取

3.13小波变换在动态光谱检测中的应用

3.13.1 小波方法的原理

3.13.2 基于小波变换的脉搏波基线稳定性区域判别

3.13.3 基于小波变换的脉搏波信号多尺度分析

3.14动态光谱幅值检测中的奇异值剔除方法

3.15本章小节

第四章压力对动态光谱检测的影响

4.1引言

4.2人体皮肤及皮下组织的力学特性

4.3实验方法及结果

4.4接触压力对脉搏波检测的影响

4.4.1 各特征值对接触压力的响应

4.4.2 光电容积脉搏波波形与接触压力的关系

4.4.3 其他影响脉搏波的因素

4.5本章小节

第五章散射因素对动态光谱检测的影响

5.1引言

5.2蒙特卡罗模拟方法及模拟参数设置

5.2.1 蒙特卡罗模拟方法

5.2.2 指端多层模型参数设置

5.2.3 单层血液模型参数设置

5.3薄层血液中的等效光程长

5.3.1 指端脉动动脉血液层厚度确定

5.3.2 全血光学参数的波长特性对等效光程长的影响

5.4实验测定薄层血液对透射光的影响

5.5静态组织对动态光谱检测的影响

5.6本章小结

第六章总结与展望

6.1本课题的主要研究内容及结论

6.2论文的主要创新点

6.3下一步研究方案

博士期间发表的论文和参与的科研项目

参考文献

致 谢