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动态光谱法血液成分无创检测初步研究

作　者: 刘玉良
导　师: 李刚
学　校: 天津大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 血液成分动态光谱无创检测光谱非线性多光程长建模
分类号: R318.51
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 264次
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内容摘要

近红外光谱法血液成分无创检测是生物医学检测领域尚未攻克的前沿课题之一。当前国内外研究重点在于血液成分含量低导致的信号相当微弱和活体测量受到干扰因素众多。本课题利用人动脉血液固有的脉动特性,在光电脉搏波描记法(PPG)的基础上,研究了能够去除大部分个体差异和部分测量条件影响的动态光谱法,并搭建了试验平台。论文的主要研究内容包括:首次系统地研究了用于血液成分无创检测的动态光谱法,阐明了动态光谱法消除个体差异和部分测量条件影响的原理及两种获取途径-时域分光法和空域分光法。通过实验获得了纯净的动脉血液吸收光谱。完成基于声光可调谐滤波器(Acousto-optic Tunable Filter AOTF)的动态光谱测试平台设计。完成了AOTF的性能验证试验。提出了耳垂组织光学传输模型并完成了组织中能量的传输与分布规律研究及检测传感器设计。利用相关双采样技术(Correlated Double Sampling CDS)去除微弱光检测的背景噪声。采用精密的IVC102U互阻抗放大器,实现微弱电流信号转变成为电压信号。利用MSC1212单片机自带的24位Σ-ΔADC实现高精度的微弱信号采集。利用基于状态图工具箱(Stateflow)的软件代码自动生成技术完成了单片机系统软件设计。把小波模极大值法和小波变换方法相结合对光电脉搏波奇异性进行处理。采用基于相干平均的脉搏波特征参数重构法对光电脉搏波信号滤波,抑制光电脉搏波中的呼吸干扰,获取较高的幅值检测精度。最后把传统的统计估值方法和统计平均方法相结合,剔除含有粗大误差的动态光谱斜率奇异点,提高了动态光谱检测精度。对离体血液近红外光谱相对光程长变化的非线性特征进行定性定量分析。研究多光程长光谱同时建模方法,并分别用模拟溶液样品和人血液样品进行多光程长建模实验研究,解决多组分成分预测时不同组分对应最佳光程长难以取舍的问题,提高了校正模型的预测精度。动态光谱法为近红外光谱技术应用提供了一个全新的思路,使患者有希望彻底抛弃成本高、易感染的有创检测方法,具有广阔的应用前景。本文的研究成果为动态光谱法血液成分无创检测研究奠定了初步的理论和实验基础。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
第一章绪论  10-23
  1.1 引言  10
  1.2 血液成分  10-14
  1.3 研究现状及存在问题  14-18
    1.3.1 血液成分无创检测  15
    1.3.2 近红外光谱检测方法  15-18
    1.3.3 存在的问题  18
  1.4 研究目的与意义  18-20
  1.5 论文内容和结构  20-21
  1.6 本章小结  21-23
第二章动态光谱检测方法  23-43
  2.1 引言  23
  2.2 近红外光谱法理论基础  23-25
  2.3 皮肤及皮下组织特性  25-26
  2.4 光电容积脉搏波描记法  26-30
    2.4.1 光电容积脉搏波  27
    2.4.2 光电容积脉搏波描记法  27-28
    2.4.3 PPG 发展现状及其应用  28-30
  2.5 脉搏血氧计原理  30-33
  2.6 动态光谱法  33-36
    2.6.1 脉搏波吸光度构成  33-34
    2.6.2 动态光谱定义  34
    2.6.3 动态光谱法理论推导  34-36
  2.7 动态光谱测量方法  36-38
    2.7.1 时域分光方法  36
    2.7.2 空域分光方法  36-37
    2.7.3 动态光谱的提取  37-38
  2.8 与传统测量方法比较  38-42
    2.8.1 传统测量方法  38-40
    2.8.2 传统测量方法对测量精度的改善  40
    2.8.3 动态光谱法对测量精度的改善  40-42
  2.9 本章小结  42-43
第三章动态光谱检测平台搭建  43-84
  3.1 系统总体结构  43-44
  3.2 光谱透射能量仿真及传感器设计  44-59
    3.2.1 生物组织的光学特性  44-46
    3.2.2 组织光学仿真理论  46-48
    3.2.3 仿真步骤与过程  48-53
    3.2.4 耳垂动态光谱检测研究  53-59
  3.3 光路设计  59-69
    3.3.1 光源  60-61
    3.3.2 准直光路  61-62
    3.3.3 AOTF 单色仪  62-69
  3.4 电路设计  69-74
    3.4.1 光电转换电路  70-71
    3.4.2 信号调理电路  71-74
  3.5 信号采集  74-83
    3.5.1 硬件设计  74-75
    3.5.2 软件设计  75-76
    3.5.3 下位机代码自动生成  76-81
    3.5.4 测试平台总体性能  81-83
  3.6 本章小结  83-84
第四章动态光谱信号预处理研究  84-107
  4.1 研究背景  84
  4.2 噪声特性  84-86
    4.2.1 仪器噪声特性  84-85
    4.2.2 信号噪声特性  85-86
    4.2.3 噪声抑制  86
  4.3 噪声滤除方法评价标准  86
  4.4 基于小波模极大值分析的奇异性处理  86-94
    4.4.1 研究背景  86-87
    4.4.2 理论基础  87-89
    4.4.3 处理方法  89-92
    4.4.4 处理结果  92-94
    4.4.5 小结  94
  4.5 脉搏波呼吸干扰的抑制  94-100
    4.5.1 研究背景  94-95
    4.5.2 相关理论  95-96
    4.5.3 处理方法  96-98
    4.5.4 结果与讨论  98-100
    4.5.5 小结  100
  4.6 统计处理方法提高动态光谱的检测精度  100-105
    4.6.1 研究背景  100-101
    4.6.2 算法理论  101
    4.6.3 处理方法  101-104
    4.6.4 结果与讨论  104-105
    4.6.5 小结  105
  4.7 本章小结  105-107
第五章多光程长建模方法研究  107-129
  5.1 研究背景  107
  5.2 血液单质吸收系数测定  107-111
    5.2.1 计算方法  108
    5.2.2 实验仪器  108-109
    5.2.3 实验过程  109-111
    5.2.4 实验结果  111
  5.3 建模方法及评价指标  111-113
  5.4 可调光程长光谱测量平台  113-116
    5.4.1 平台构成  113-114
    5.4.2 系统评价  114-115
    5.4.3 系统测试  115-116
  5.5 血液光谱非线性研究  116-120
    5.5.1 研究背景  116
    5.5.2 仪器和样品  116
    5.5.3 实验方法  116-117
    5.5.4 结果与讨论  117-120
    5.5.5 小结  120
  5.6 模拟溶液多光程长建模研究  120-123
    5.6.1 模拟溶液配制  120-121
    5.6.2 多光程长建模  121-122
    5.6.3 结果与讨论  122-123
  5.7 血液多光程长建模方法  123-128
    5.7.1 研究背景  123
    5.7.2 仪器及软件  123
    5.7.3 化学值标定  123-124
    5.7.4 实验方法  124-127
    5.7.5 结果与讨论  127
    5.7.6 小结  127-128
  5.8 本章小结  128-129
第六章结论与展望  129-132
  6.1 引言  129
  6.2 课题主要内容与结论  129-130
  6.3 创造性工作  130-131
  6.4 展望  131-132
参考文献  132-150
发表论文和科研情况说明  150-152
致谢  152

动态光谱法血液成分无创检测初步研究

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