血糖检测光声信号处理及实验研究

【摘要】：基于光声效应(photoacoustic effect)的无创血糖检测方法具有不受皮肤及血液、组织液的光学散射影响的优点,与纯光学检测相比,它能提供被检测介质吸收的深度信息,在血糖浓度检测领域比较新颖。本课题主要从光声效应机理入手,开展相关光声效应仿真和实验,包括对不同层人体皮肤组织进行仿真,并得到相应的血糖光声信号,搭建实验系统采集葡萄糖光声信号,然后对光声池进行仿真得到实验仿真信号,将实验葡萄糖溶液光声信号进行预处理、特征提取建立两个数据集,然后使用不同的算法进行标定。其主要研究内容如下:1.研究了光声效应的基本理论,包括光声效应的宏观过程和微观过程描述,根据入射能量的不同进行简要分类,以及光声效应的基本数学模型,为后续仿真和实际数据采集实验以及信号处理实验提供了理论依据。2.对人体皮肤及血液进行了相关建模,其中皮肤建模又分为二层模型和三层模型,然后对激光在生物组织中传输算法采用蒙特卡洛算法进行光子模拟传输,光声场采用K-Wave工具箱进行模拟,仿真出了了两种皮肤模型的血糖光声信号,然后对两种光声信号进行了分析和比较。3.搭建了一套光声实验平台。该平台主要用于不同葡萄糖溶液的测量,通过实验得到了一组浓度梯度的光声实验信号,以及对实验装置(光声池)进行了仿真,并依照皮肤仿真中的血液模型建立葡萄糖浓度模型,得到了一组浓度梯度的光声信号,并与实验光声信号进行比较分析了共同点。4.针对实验信号模态分解改进算法分解重构进行了去噪,然后对实验信号进行特征分析,并进行多特征提取,得到了数据集A和数据集B,然后选择多元线性回归、偏最小二乘法、BP神经网络以及支持向量回归(SVR)等拟合算法对两种数据集进行了标定,然后进行了比较分析,再利用克拉克误差网格对标定结果进行了评判,以及对光声池仿真光声信号完成了标定分析。