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近红外无创血糖测量—信号拾取的理论和实验研究

陈文亮  
【摘要】:糖尿病及其并发症已成为严重威胁人类健康甚至生命安全的全球性疑难病症。血糖浓度无创伤检测技术具有无痛苦、无感染危险等优点,对于减轻糖尿病患者的测量痛苦、实现血糖浓度的实时监测和指导临床合理用药,具有非常重要的现实意义。基于此,本课题进行了人体血糖浓度的近红外无创测量方法的系统研究。 文中基于皮肤组织各层中的血糖分布特性,提出了利用真皮漫反射光谱测量血糖浓度的方法。通过近似求解半无限介质中的定态漫射方程,分析了血糖浓度分别通过吸收效应和散射效应作用于漫反射光能的机理,推导得出漫反射光能随血糖浓度变化的近似关系式。依据上述测量原理,研制了适用于手掌部位的近红外无创血糖浓度检测系统。 提出了拾取手掌真皮漫反射信号的有效方案。使用蒙特卡罗模型分析了手掌漫反射光子的径向分布、在组织内的穿透深度及传输程长的分布规律。并综合考虑真皮漫反射光子的数量及其在真皮层内的有效光程长对于有效真皮信息量的影响因子,求解得到真皮信息载荷量随径向检测距离的分布曲线。根据该曲线的峰值分布特性,确定了光学测头的具体结构参数。 研究了接触压力影响漫反射光谱的机理。文中从粒子的散射截面和吸收截面的定义出发,正向求解组织的散射和吸收特性,得到散射系数和吸收系数的基于组织厚度的表达式。并使用有限元模型计算得出不同接触压力下的组织厚度,进而求得散射系数和吸收系数与接触压力之间的关系式。在此基础上,推导出了真皮漫反射光能随接触压力变化的理论公式。 提出了活体漫反射光谱测量受接触压力影响的解决方案。通过实验,本文系统地研究了接触压力变化对漫反射光谱的影响,以及同一接触压力下,漫反射光谱随接触时间波动的特性。根据研究结果,文中首次提出了最佳接触状态和最佳测量时间的论点。在该最佳测量条件下进行光谱采集,有效的提高了光谱测量的稳定性。 最后,本文进行了人体血糖浓度无创测量的临床实验研究。使用文中改进的OGTT(口服葡萄糖耐量试验)方法采集校正集样本,并对单次OGTT实验样本建立PLS(偏最小二乘)校正模型。基于完全交互验证方法对文中50人次OGTT实验所得的校正模型进行评价,其均方根预测误差的范围为0.6773±0.0886mmol/l。该临床实验结果表明了本文的检测方法和系统的有效性。


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