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近红外无创生化分析中快速高信噪比光谱信号检测技术研究

作　者: 陈丛
导　师: 卢启鹏
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 近红外光谱无创生化分析数据采集容积脉搏波信噪比
分类号: TN911.7
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

血液中生化成分的含量直接反映了人体的健康状况。目前，临床上常规的检验方法多属于有创或微创，不仅存在交叉感染的隐患，而且需要试剂进行离体分析，很难实现在线实时监测。因此，无创生化检验一直是国内外学者研究的热点之一。近红外光谱分析技术具有无创伤、无试剂、无污染、可实时监测等优点，在无创生化分析领域具有很高的研究价值和广阔的前景。但是由于血液中生化成分的含量较低，且组织背景干扰严重，使得近红外无创生化分析技术至今尚未达到临床应用的水平。为了消除人体复杂的组织背景干扰，本课题组提出血流容积光谱相减法。利用短时间内不同血流容积下测得的光谱相减，从而得到血液光谱。但是光谱相减法的实现对容积脉搏波信号的采集速度和信噪比要求很高，而现今市面上近红外光谱仪器的性能指标尚未达到要求，因此需要研究快速高信噪比的容积脉搏波采集方法，进而提高仪器的性能。本文围绕近红外无创生化分析中快速高信噪比光谱信号的采集方法展开研究。主要包括快速高信噪比容积脉搏波信号采集系统的设计和容积脉搏波信号降噪处理的研究。具体研究内容和主要结论如下：1)针对近红外无创生化采集系统中快速、高信噪比的要求，不同工作方式的InGaAs探测器各有特点。分别针对单元式、多元阵列式和多元分立式铟镓砷探测器设计近红外容积脉搏波采集系统。每套系统包括前置放大电路和数据采集电路两部分。2)通过对三套近红外容积脉搏波采集系统性能的测试，分析各自的优缺点，研制出符合人体无创生化检测要求的系统。实验测得，单元式容积脉搏波采集系统的信噪比约为28000：1，暗噪声为20左右。虽然单元式采集系统具有较高的信噪比，但只能通过扫描的方式获得光谱，不仅限制了采集速度，而且由于血液的流动性，也很难保证所采集光谱的准确性。多元阵列式容积脉搏波采集系统采用256元铟镓砷探测器G9211，可同时采集256个波长的信号，采集速度快，但实测信噪比平均为7000：1，不能满足无创生化分析的要求。多元分立式容积脉搏波采集系统采用16元铟镓砷探测器G7150，可同时采集16个波长的信号，每秒钟最多采集50幅光谱，信噪比达到13000：1，暗噪声为40左右。综合考虑，16元分立式容积脉搏波采集系统最接近人体无创生化检测的要求。3)利用16元分立式容积脉搏波采集电路搭建的近红外无创生化检测系统完成临床实验。通过采集不同年龄、不同性别的81名志愿者食指指端容积脉搏波信号，建立定标模型，预测血液中红细胞比容和血红蛋白浓度，预测相关系数分别为0.81和0.73，预测标准差分别为1.82%和14.53g·L-1。4)深入研究容积脉搏波信号降噪处理的现状，提出一种基于自适应滤波的脉搏波信号降噪处理方法。利用该方法处理临床采集的容积脉搏波信号，结果表明，采用处理后的信号重新建立定标模型，红细胞比容和血红蛋白的预测相关系数分别提升至0.87和0.83，预测标准差分别提升至1.89%和9.16g·L-1。本文深入研究了近红外无创生化分析中快速高信噪比信号的检测技术，并成功研制出一套快速高信噪比的近红外容积脉搏波采集系统，为实现近红外无创生化检测技术的临床应用奠定了理论和实验基础。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第1章绪论  14-24
  1.1 人体无创生化检验的意义  14-15
  1.2 近红外光谱分析技术的原理及特点  15-16
  1.3 近红外无创生化检测技术的研究现状  16-18
  1.4 人体近红外无创生化检测技术的难点  18-20
  1.5 本论文的研究目的和意义  20-22
  1.6 本论文的主要研究内容和结构安排  22-24
第2章近红外无创生化分析系统的结构  24-44
  2.1 近红外光谱分析仪器的发展概况  24-26
  2.2 近红外无创生化分析的仪器条件  26-34
    2.2.1 近红外光谱仪器的性能指标  26-28
    2.2.2 近红外无创生化分析的仪器要求  28-34
  2.3 近红外无创生化分析系统的结构  34-42
    2.3.1 近红外无创生化分析系统的总体结构  34-35
    2.3.2 近红外无创生化分析系统的光源选择  35-37
    2.3.3 近红外无创生化分析系统的探测器选型  37-40
    2.3.4 近红外无创生化分析系统的分光系统  40-41
    2.3.5 近红外无创生化分析系统的电子学结构  41-42
  2.4 本章小结  42-44
第3章基于单元铟镓砷探测器的快速高信噪比信号采集系统  44-68
  3.1 基于单元铟镓砷探测器采集系统的总体结构  44-46
    3.1.1 单元式铟镓砷探测器 G8605  44-46
    3.1.2 单元式采集系统的总体结构  46
  3.2 单元式近红外容积脉搏波采集系统硬件电路的设计  46-58
    3.2.1 前置预处理电路的设计  46-53
    3.2.2 电源电路的设计  53-56
    3.2.3 采集系统的搭建  56-57
    3.2.4 采集软件的设计  57-58
  3.3 单元式近红外容积脉搏波信号采集系统的噪声分析  58-64
    3.3.1 引言  58
    3.3.2 光学噪声  58
    3.3.3 电子学噪声  58-63
      3.3.3.1 电子学噪声的类型  58-60
      3.3.3.2 电子学噪声分析  60-63
    3.3.4 容积脉搏波信号中的噪声  63-64
  3.4 近红外容积脉搏波信号的采集系统的性能测试  64-66
    3.4.1 电子学系统测试  64-65
    3.4.2 容积脉搏波信号的采集  65-66
  3.5 本章小结  66-68
第4章基于多元阵列式铟镓砷探测器的快速高信噪比信号采集系统  68-90
  4.1 基于多元阵列式铟镓砷探测器采集系统的总体结构  68-73
    4.1.1 多元阵列式铟镓砷探测器 G9211-256  68-70
    4.1.2 InGaAs 多通道探头 C8061-01  70-72
    4.1.3 多元阵列式采集系统的总体结构  72-73
  4.2 多元阵列式近红外容积脉搏波采集系统硬件电路的设计  73-81
    4.2.1 前置放大电路的设计  73-76
    4.2.2 A/D 转换电路的设计  76-78
    4.2.3 控制电路的设计  78-80
    4.2.4 电源电路的设计  80-81
  4.3 多元阵列式近红外容积脉搏波采集系统软件电路的设计  81-85
    4.3.1 单片机控制程序的设计  81-84
    4.3.2 上位机软件的设计  84-85
  4.4 多元阵列式近红外容积脉搏波采集系统的性能测试  85-88
    4.4.1 系统的时序测试  85-87
    4.4.2 系统的性能测试  87-88
  4.5 本章小结  88-90
第5章基于多元分立式铟镓砷探测器的快速高信噪比信号采集系统  90-110
  5.1 基于多元分立式铟镓砷探测器采集系统的总体结构  90-92
    5.1.1 多元分立式铟镓砷探测器 G7150-16  90-91
    5.1.2 多元分立式采集系统的总体结构  91-92
  5.2 多元分立式近红外容积脉搏波采集系统的设计  92-97
    5.2.1 前置预处理电路的设计  92-96
    5.2.2 采集系统的搭建  96-97
  5.3 多元分立式近红外容积脉搏波采集系统的电子学性能测试  97-101
    5.3.1 多元分立式采集系统的电子学噪声分析  97-98
    5.3.2 多元分立式采集系统的性能测试  98-100
    5.3.3 人体近红外容积脉搏波信号的采集  100-101
  5.4 人体近红外无创生化分析系统的优选  101-102
  5.5 人体近红外无创生化分析实验  102-108
    5.5.1 人体近红外容积脉搏波信号的采集背景  102-103
    5.5.2 异常样品的剔除  103-104
    5.5.3 前馈人工神经网络(BP-ANN)  104-106
    5.5.4 HCT 浓度校正模型  106-107
    5.5.5 血红蛋白浓度校正模型  107-108
  5.6 本章小结  108-110
第6章自适应滤波与近红外容积脉搏波信号的降噪处理  110-128
  6.1 引言  110-111
  6.2 自适应滤波的基本原理  111-113
    6.2.1 自适应滤波器的结构  111
    6.2.2 最小均方(LMS)算法  111-113
  6.3 适用于容积脉搏波信号的自适应滤波新方法  113-117
    6.3.1 改进的自适应滤波器结构  113-115
    6.3.2 改进的自适应滤波算法  115-117
  6.4 单体近红外容积脉搏波信号的降噪处理  117-125
    6.4.1 单体近红外容积脉搏波信号的采集  117-118
    6.4.2 改进的自适应滤波结构对近红外容积脉搏波信号的降噪  118-121
    6.4.3 改进的自适应滤波算法对近红外容积脉搏波信号的降噪  121-125
  6.5 自适应滤波在人体近红外无创生化分析中的应用  125-127
    6.5.1 实验背景介绍  125
    6.5.2 自适应滤波后 HCT 和血红蛋白浓度的校正模型  125-127
  6.6 本章小结  127-128
第7章总结与展望  128-132
  7.1 本论文的主要研究内容及结论  128-129
  7.2 本论文的主要创新点  129-130
  7.3 进一步研究展望  130-132
参考文献  132-144
在学期间学术成果情况  144-146
指导教师及作者简介  146-147
致谢  147

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