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中红外光谱无创血糖测量基本问题研究

作　者: 王动民
导　师: 陈星旦
学　校: 暨南大学
专　业: 生物医学信息技术
关键词: 中红外光谱表皮组织液化学计量学无创血糖糖尿病
分类号: R318.0
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

糖尿病是一种严重危害人类健康的重大疾病，目前还没有根治的手段。为了有效地降低并发症的发病率，需要对血糖进行频繁测量。实现血糖水平的无创伤、连续测量具有重要的现实意义。中红外（Mid-Infrared，MIR）光谱对分子的选择性好，不同分子之间的光谱重叠和干扰不严重，信息丰富。中红外光谱无创血糖测量方法研究已经开展了很多年，但一直没有得到突破性的研究成果。该方法所面临的主要问题在于：a)缺乏对中红外光谱无创血糖测量方法中存在的光与生物组织的相互作用、葡萄糖的来源、光谱与血糖之间的关系等问题的细致研究，因此，也缺乏提高分析结果精度的有效手段。b)人体皮肤是一复杂、时变的系统，其光谱易受到一些物理、化学因素的干扰，会直接影响定标模型的可靠性与稳健性。c)与血糖有关的吸收信号非常微弱，给信息的提取带来了困难。本文对中红外光谱无创血糖测量方法中存在的上述问题进行了研究，主要内容如下：1）对中红外光谱无创血糖测量方法中存在的光与生物组织的相互作用、皮肤光谱中与血糖有关的吸收信息来源、组织液中葡萄糖含量与血糖水平的关系等问题进行了分析，提出利用中红外光谱测量表皮组织液中葡萄糖含量来实现血糖无创伤测量的物理模型。与分析血液信息相比，组织液光谱中不存在血红蛋白等生化成分的干扰，较容易实现无创伤血糖测量。2）对中红外光谱分析组织液中葡萄糖的定标方法进行了研究。中红外光谱分析技术中的化学计量学信息提取方法直接影响测量结果的精度与可靠性。本文研究结果表明，分析组织液中葡萄糖含量时，偏最小二乘回归（Partial Least Squares Regression，PLSR）方法能获得较好的测量结果。3）利用胶带粘贴、水冲洗及打磨等方式分别对皮肤进行预处理，研究皮肤预处理方式对其衰减全反射(Attenuated Total Reflection,ATR)红外光谱的影响，并分析造成这种影响的机制。结果表明，光程变化是导致皮肤光谱变化的主要原因。当光程变化信息与葡萄糖的浓度信息之间存在偶然相关时，所得PLSR模型的分析精度与稳健性都会受到影响；利用附加散射校正（Multiplicative Scatter Correction，MSC）、变量标准化（StandardNorrmalized Variate，SNV）方法对可以对光谱中的光程信息进行校正。4）根据PLSR算法原理，提出了评估光谱干扰因素对定标结果影响的方法；结合具体实验，对中红外光谱无创血糖测量方法中存在的光谱测量时机、角质层的吸收变化、接触压力等干扰因素影响进行研究。并通过口服葡萄糖耐量实验（Oral Glucose Tolerance Test，OGTT）实验，发现表皮中的组织液很难渗透到皮肤角质层中进而被倏逝波所探测到。5）提出了中红外光谱无创血糖测量系统的物理设计方案，对提高光谱信噪比的技术手段进行了分析。通用的光谱仪不能满足中红外无创血糖测量的要求，基于可调谐量子级联光器激(Quantum Cascade Laser,QCL)光源的光谱测量系统物理设计方案能有效提高所得皮肤光谱的信噪比，有助于实现血糖的无创伤测量。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
第1章绪论  10-22
  1.1 无创血糖测量的意义  10-11
  1.2 无创血糖测量研究方法概述  11-19
    1.2.1 旋光法  12
    1.2.2 光学相干断层成像法  12-13
    1.2.3 拉曼光谱法  13
    1.2.4 阻抗谱法  13
    1.2.5 电离子渗透法  13-14
    1.2.6 组织间液收集法  14
    1.2.7 红外光谱法  14-19
  1.3 中红外光谱无创血糖测量面临的问题  19
  1.4 本文的研究目的及意义  19-20
  1.5 主要研究内容  20-22
第2章中红外光谱无创血糖测量机理分析  22-38
  2.1 红外光谱分析的基本原理  22-24
  2.2 人体中的葡萄糖及其红外吸收特征  24-25
  2.3 人体皮肤 MIR 光谱吸收特征  25-28
  2.4 光与人体皮肤的相互作用  28-33
    2.4.1 ATR测量原理  28-29
    2.4.2 人体皮肤组织  29-31
    2.4.3 光与人体皮肤的相互作用  31-33
  2.5 角质层的生化成分及结构  33-34
  2.6 表皮组织间液中的葡萄糖  34-36
  2.7 中红外光谱无创血糖测量机理  36-38
第3章中红外光谱无创血糖测量信息提取方法研究  38-58
  3.1 组织液样品的制备  38-41
  3.2 组织液中红外光谱的获取  41-44
    3.2.1 仪器及参数  41-42
    3.2.2 光谱采集方法及步骤  42-44
  3.3 中红外光谱测量葡萄糖的化学计量学方法研究  44-56
    3.3.1 多元线性回归定标分析  44-50
    3.3.2 导数光谱法  50-52
    3.3.3 PLSR 定量分析研究  52-56
  3.4 本章小结  56-58
第4章皮肤不同方式预处理对皮肤ATR-FTIR光谱的影响  58-70
  4.1 研究方法  58-59
  4.2 胶带粘离对皮肤光谱的影响  59-62
  4.3 水冲洗处理对皮肤光谱的影响  62-66
  4.4 打磨处理对皮肤光谱的影响  66-68
  4.5 分泌物的光谱  68-69
  4.6 本章小结  69-70
第5章光程变化对PLSR定标结果的影响研究  70-82
  5.1 加入光程变化信息的方法  70-72
  5.2 不同情况下的定标结果  72-76
    5.2.1 原始光谱的定标结果  72-73
    5.2.2 加入光程变化信息后的定标结果  73-76
  5.3 光程校正方法研究  76-80
  5.4 本章小结  80-82
第6章人体皮肤ATR-FTIR光谱测量中的干扰因素影响研究  82-96
  6.1 评估干扰因素影响的方法  82-84
  6.2 接触时间的影响  84-88
  6.3 角质层吸收变化的影响  88-91
  6.4 测量压力的影响  91-92
  6.5 人体皮肤ATR-FTIR光谱与血糖水平的相关性  92-94
  6.6 本章小结  94-96
第7章中红外光谱无创血糖测量系统的物理设计  96-102
  7.1 中红外光谱无创血糖测量的物理思想  96-97
  7.2 技术路线  97-101
    7.2.1 光源  97-100
    7.2.2 光学系统  100
    7.2.3 化学计量学建模系统  100-101
  7.3 本章小结  101-102
第8章总结与展望  102-106
  8.1 本论文的主要内容与结论  102-103
  8.2 本论文的主要创新点  103-104
  8.3 下一步展望  104-106
参考文献  106-114
博士期间发表的论文  114-116
致谢  116

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