基于时频域综合分析的无创血糖检测技术研究

无创血糖检测技术是一种间接测量血液中葡萄糖含量的方法,其不损伤人体组织具有安全、快捷、无创的特点,打破了传统血糖检测的局限性,具有重要的研究价值。光电容积脉搏波信号因携带多种生理病理信息,被广泛应用于各种临床研究,也是目前实现无创血糖检测技术的重点关注对象。目前基于光电容积脉搏波信号的无创血糖检测研究,仅考虑了时间域或频率域单独作用时对系统建模的贡献。信号的时域分析虽能描述PPG信号幅值随时间的变化,却无法直观反映PPG信号频率的能量分布,因此单一域的信号分析不能全面表达PPG信号,从而导致信息丢失。采用频域分析方法提取信号频谱时,需要利用信号的全部时域信息,是一种全局的变换,可能会造成特定时间或特定频率段内的信号特性丢失。提出了一种基于光电容积脉搏波(PPG)时频域综合分析的无创血糖检测新方法,采用时域-频域并行法综合考量光电容积脉搏波信号与血糖间的联系。以时域分析为基准,利用聚类分析法在PPG信号时域中提取代表波形,分析波形特征点与血糖相关性,确定波形时域特征参数。在此基础上,利用快速傅里叶变换将脉搏波时域信号转换至频率域,采取主成分分析手段研究频谱信息,确立频域特征量。通过口服葡萄糖耐糖实验(OGTT)对获取的波形信号提取时频域特征参数,以实时检测的有创血糖浓度值作为参考,构建基于BP神经网络的无创血糖检测模型,同时为提升模型精度实现模型最优化,应用遗传算法对模型进行二次修正,最终实现模型测试集平均绝对误差(MAE)为1.13 mmol·L^(-1),均方根误差(RMSE)为1.42 mmol·L^(-1)。Parkers共识网络栅格(Parkers CEG)评估结果显示:在A区与B区的预测结果分别占80.3%、19.7%,实验结果表明该方法具有良好的预测精度,为实现日常血糖无创监测可行性提供了理论基础及可靠性依据。有助于完善糖尿病的检测与监测体系,更好地全面判断病情,及时预防、指导、治疗糖尿病。

基于近红外光谱的无创血糖检测系统研究综述

在糖尿病的规范化管理中,系统的血糖监测具有重要意义。目前血糖检测的主要方法为有创及微创,患者长期监测血糖的依从性差。无创血糖检测可提高患者长期监测血糖的依从性,有利于减少糖尿病并发症及疾病进展。经济、高效且易操作的无创血糖检测技术成为研究的重点方向。介绍了基于近红外的无创血糖测量技术及其相关研究工作,同时讨论了目前近红外无创血糖检测临床应用的前景与挑战。

基于小波变换的噪声及背景同时去除方法在血糖近红外无创检测中的应用

对于血糖近红外无创检测,光谱信号中的各种噪声以及水分等物质的强吸收产生的背景信号,影响了光谱定量校正模型的预测精度.利用小波变换,可将光谱信号分解为多尺度的近似成分与细节成分,根据无用信息变量消除判据可判定代表背景信息的高尺度近似成分及代表噪声的低尺度细节系数,去除相应的成分即可同时去除光谱信号中的背景与噪声.本文将这种小波变换与无用信息变量消除判据相结合的预处理方法应用于人体血糖无创检测研究中,并分析了该方法对不确定因素较多的复杂光谱模型的适用性问题.实验结果表明应用小波变换结合无用信息变量消除判据的方法可以有效地同时去除血糖无创检测近红外光谱信号中的背景信息和噪声,提高光谱定量校正模型的预测精度,对于人体血糖无创检测具有重要应用价值.

便携式无创血糖检测腕表系统的设计与开发

检测人体血糖浓度的方法按是否会给人体带来创伤主要分为有创、微创和无创检测这3种。有创血糖检测和微创血糖检测需要扎破手指,由于糖尿病患者需要长期频繁地测量血糖值,这样会损伤手指的皮肤,造成伤口感染,另外,在没有检测设备时,病人每次都需要去医院测量血糖值,十分麻烦。为此,设计与开发了便携式无创血糖检测腕表系统。首先是无创血糖检测系统的硬件设计,包括心电信号采集模块、系统电路模型、手表的结构与堆叠设计;然后是无创血糖检测系统的软件设计,包括FreeRTOS设计、系统任务设计;最后是无创血糖检测系统的算法研究,利用YOLO测量血糖值。经验证,所设计的便携式无创血糖检测系统的测出结果置信度为0.89,达到了一个可信的范围。

近红外光谱无创血糖检测中有效信号提取方法的研究

糖尿病严重危害人类健康,无创血糖检测是医患双方的期望。人体生理背景成分复杂、易变,各种组织信息混杂,导致直接测量人体的近红外光谱很难真实反映血液中血糖浓度变化信息。提出血流容积差光谱相减法,即利用血流容积一直在变而人体组织背景和血液成分含量短时间不变的事实,通过相似背景扣除,有效消除人体组织背景干扰,获得反映血液成分信息的有效光谱信号。为验证方法的有效性,自行研制相关实验系统,获得系统噪声好于20μAU,并在波长1 250 nm处取得信噪比为20 000:1的有效光谱信号,阐明现有条件下血流容积差光谱相减法在近红外无创血糖检验临床应用的可行性和优势。

二维相关光谱分析在无创血糖检测特异性研究中的应用

主要利用二维相关光谱分析方法考察了血液中主要成分、测量过程中的系统漂移等因素对近红外光谱中的葡萄糖分子特异性的影响。首先测量了葡萄糖水溶液的近红外透射光谱,以葡萄糖浓度为外扰,计算二维相关同步谱及异步谱,通过对比分析确定了葡萄糖在合频和倍频区域的特征吸收峰位置。当葡萄糖水溶液中加入少量白蛋白后,其二维相关谱中葡萄糖的一级倍频吸收峰(1 590nm)和二级倍频吸收峰(1 195nm)出现了不同源的现象,表明白蛋白可能破坏了葡萄糖的特异性;进一步开展了人体口服葡萄糖耐量实验,测量了手掌部位的漫反射光谱,其二维相关谱中葡萄糖的同源性吸收也遭到破坏。另外,由于葡萄糖浓度变化引起的光谱变异信息较小,很容易被系统漂移掩盖,一般需要进行背景修正。在葡萄糖水溶液的透射实验和人体漫反射实验中,分别引入纯水样本和5%标准漫反射板作为参考,以时间为扰动的二维相关光谱分析的结果表明,经过参考样本的背景校正后,系统漂移在二维同步切线谱中引起的谱峰偏移变小,葡萄糖的特征吸收被增强。因此,在近红外光谱无创血糖检测中,应尽量避开与葡萄糖特征吸收不同源的波段,并有必要采取一定的参考测量方法以提高检测的特异性。

OCT无创检测技术的人体血糖平衡延迟时间研究

为了研究在人体血糖快速变化情况下,皮肤组织液糖浓度与血液(指血、静脉血)中血糖变化的延迟关系,采用光学相干层析技术,通过人体口服葡萄糖耐量测试和血糖钳夹实验,测量了随血糖变化的皮肤光衰减系数,并对人体血糖平衡延迟时间问题做了研究。为了避免由于延迟因素造成预测血糖值误差过大,选择700μm^800μm以下皮肤深度的真皮网状层作为分析计算区域。结果表明,延迟时间一般随着皮肤区域深度的增加而缩短;在不同的皮肤深度区域,血糖平衡延迟时间存在一定的差异性。此研究有助于提高光学无创血糖检测的准确性和可靠性。

近红外无创血糖检测中基于差动式浮动基准测量的有效信号提取

近红外光谱的相对测量对实现人体血糖浓度的在体高精度检测具有重要意义。离体检测中常用的相似背景扣除以及双光路设计等方法不适合人体的复杂背景变化,而基于位置的参考测量方法被认为是有希望实现在体参考测量的方法之一。因此课题组提出差动式浮动基准参考测量方法来实现在体的相对测量。差动式浮动基准参考测量方法是一种具有普适性的参考测量方法,在实际应用中面临着径向检测距离的确定和差动检测信号中有效信号提取的问题。在差动式浮动基准参考测量方法的基础上,提出了基于NAS(net analyte signal)-VIP(variable importance in projection)-SPXY(sample set partitioning based on joint X-Y distances)-PLS(partial least square)的差动浮动基准测量方法,在离体实验中验证了该方法的可行性。结果表明经过该方法处理后,模型的均方根误差明显降低,相关系数也有了一定的提高。对该方法在人体实验中的有效性进行了研究,结果也表明该方法处理后所建模型的精密度和准确性有了明显改善。

基于阻抗谱法的无创血糖检测系统设计

以生物阻抗检测技术为基础,设计了一种频谱范围在10～60 MHz的高频阻抗检测系统用于人体阻抗测试,验证了系统的测试性能。根据阻抗谱法无创血糖测试的原理,对健康人体进行测试后得到112组数据,采用主成分分析回归模型预测血糖浓度,对比同一测试者的预测结果与有创检测数据,相关系数为0.805 8,且较好预测了动态血糖变化趋势,为进一步研究无创连续监测血糖浓度提供了参考。

一种改进的能量代谢守恒法无创检测血糖算法

为了提升基于能量代谢守恒方法无创检测血糖的精度,设计新型无创血糖检测探头,采集300组临床试验数据,提出决策树和偏最小二乘法方法相结合的DE-PLS算法建立预测血糖值的模型。并采用多参数相关性分析,得出代谢率M和血糖浓度真值BG显著相关,验证了能量代谢守恒法无创检测血糖理论的可行性。最终结果表示,DE-PLS算法计算出的血糖浓度与真实血糖值的相关性达到了88.5%,证实该算法的精度高于应用于该领域的其他算法。

近红外无创血糖检测系统设计

根据近红外无创血糖检测技术,设计一种小型近红外无创血糖检测系统。以系统检测探头对人体食指采取透射方式探测,由光电传感器采集四路不同波长近红外光的脉搏波信号。提出一种脉搏波预处理方法,采用经验模态分解和三次样条插值算法去除原始脉搏波的高频噪声和基线漂移。运用动态光谱频域提取法提取对数脉搏波的基波分量。采用偏最小二乘法交叉验证的方法,预测人体血糖浓度。对实验结果进行分析,此系统预测血糖值与真实血糖值的相关性达到了86.5%,预测均方根误差为0.56 mmol/L,证明系统检测结果精度较高。

基于无创血糖检测技术的数据处理算法

无创血糖检测仪的研究,对于糖尿病的治疗具有重要意义。该研究的原理是基于血糖是人体代谢的主要能源物质的能量代谢守恒法,通过测量人体指部的代谢率、血氧饱和度、脉率、血流量来估算血糖水平。由辐射散热、对流散热、蒸发散热量来确定代谢率,由热流温度场分布原理来测量血流量。最后通过多元回归分析的方法,建立血糖浓度的数学模型。经前后2组共30例临床初步实验,表明测试结果与AMS-AUTOLAB18全自动生化分析仪所测结果的相关系数达到了0.862 1,具有很好的相关性和一致性。同时,经误差统计分析得到检测结果的平均相对误差仅为0.039,平均相对误差界ε<0.5,表明整数部分均为有效数字位,且无显著性差异。多参数相关性分析结果表明,代谢率对血糖值的贡献是最大的,其相关系数达到了0.92,其他参数对血糖值的相关系数依次减弱。实验证明,所建立的基于能量代谢守恒法来无创伤地间接检测血糖值的方法是可行的。

基于无创血糖检测的传感器集成设计

根据能量代谢守恒法无创检测血糖浓度的原理,设计出一规格为60 mm×30 mm×85.5 mm的无创血糖检测传感器集成器。主要由底座、指表血流流速检测区、人体指部代谢率检测区、指端血氧红外检测区、电路连接区和信号输入输出区组成。由温度传感器、湿度传感器、辐射温度传感器、双波长(660 nm/905 nm)的红外发射及接收传感器在一定实施条件下集成得到。通过本集成器实现了对血糖浓度的无创伤检测,经20例临床初步实验,结果表明:与AMS-AUTOLAB18全自动生化分析仪的相关系数R达到了0.807,具有较好的相关性和一致性。经误差统计分析发现其平均相对误差为7.0%,平均绝对误差小于0.5,证明检测结果具有较高的精确度。

红外无创血糖检测与阵列信号处理

红外无创血糖检测是一种不需收集血样进行人体血糖浓度测量的新方法。它不仅可以减少患者的痛苦 ,还能进行连续测量。由于无创血糖检测技术市场利益巨大是各国研究的热点 ,且技术相互之间保密 ,可参考的数据不多。常用的技术是利用一束一定波长的红外光传过人体部分血管区域 ,从光谱中提取相应的血糖浓度信息 ,但在测量精度和稳定性方面存在着问题。为了克服红外无创血糖检测中存在的难题 ,使微弱的光谱信号变化能正确的体现人体血糖浓度 ,作者根据朗伯—比尔定律原理 ,分析了人体葡萄糖的吸收谱 ,设计了多波长红外血糖检测传感器阵列 ,采用MOE和MADALINE整合神经网络方法建立了传感器阵列信号处理模型 ,使红外无创血糖检测的精度和稳定性得到了改善 。

近红外光谱无创血糖检测技术的研究

对现有的一些使用近红外光谱无创离体和在体测量葡萄糖的研究结论,结合我们的研究结果进行评述。首先介绍建立葡萄糖光谱检测的基本理论。在光谱检测的分析研究中,离体测量表现出良好的结果;在体葡萄糖检测和预测,结果精度较差,离临床和家庭使用还有一些距离。

近红外光谱无创血糖检测中的生理背景问题

分析了目前直接利用携带复杂组织背景信息的人体近红外光谱进行无创血糖检测方法存在的技术障碍:作为主要信息载体的人体生理背景成分复杂、易变,导致测得的人体近红外光谱无法反映血液中血糖浓度的变化信息,因此,其检测精度很难达到临床应用的要求。提出一种新方法,即利用血流容积一直在变而人体组织背景和血液成分含量短时间不变的事实,消除人体组织背景干扰,获得只反映血液信息的"纯净"光谱,将近红外无创血糖检测技术的重点问题转移到如何得到具有较高信噪比的光谱数据,为该技术的临床应用提供了可能性。

电极形状对无创血糖检测精度影响的研究

在低频段时,为了提高基于射频信号的无创血糖检测的精度,本文探讨了圆形、方形、螺旋形电极分别在模拟的三种不同浓度血糖溶液中对S11参数的影响,从而分析电极形状对血糖检测精度的影响。研究表明:电极形状与血糖检测精度存在一定关系,在谐振点时,相较于方形电极和圆形电极,螺旋形电极所测得的S11参数幅值最小,其血糖检测精度最高,因此,该形状电极更适用于无创血糖检测。

无创血糖检测方法研究

糖尿病是现在的世界三大疾病之一,不仅治疗难度很高,患者数量也在逐年上升,更为恶劣的是,从数据来看,糖尿病患者增长率亦呈升高趋势,它已经严重的威胁到人们的身心健康.对大家的日常生活造成了非常大的困扰,而且对于众多的糖尿病患者来说日常的有创检测简直就是一件非常煎熬的事情,因此,研制出安全且可靠的无创血糖检测方法不可懈怠.本文则主要介绍了几种现在已有的人体无创血糖检测方法,其中主要包括:旋光法、荧光法、光声光谱法、拉曼光谱法、近红外光谱法和反离子渗透法的检测原理及其优缺点.并着重介绍了旋光法及其原理.

OCT无创血糖检测图像处理最优化方法研究

为了解决不同的光学相干层析(OCT)图像预处理方式对皮肤真皮层散射系数计算影响的问题,提高无创血糖的测量精确度,提出了一种对OCT图像数据前期处理的最优化方法。在对采集的3维图像数据进行皮肤表面对齐、3维重建、1维平均处理的基础上,分析了背景噪声和数据是否归一化对血糖预测精度的影响,并结合临床实验进行了验证。结果表明,预测误差较预处理之前减小了18.31%。该研究对于提高基于OCT技术的光学无创血糖测量精度具有重要的参考价值。

近红外无创血糖检测系统信号提取能力的验证

近红外无创血糖检测技术的精度目前仍达不到临床应用的需求,主要的原因为:一方面人体血糖信号微弱,并且血液中一些组分的近红外吸收谱带与葡萄糖的吸收谱带存在重叠,为了从光谱中解析葡萄糖浓度信息,通常会采用如偏最小二乘(PLS)等多变量回归的方法。另一方面,在实际测量中,必然会存在光源漂移、测量条件变化等背景干扰,这些背景干扰对测量造成的影响往往大于血糖浓度变化引起的光谱响应,因此在建立血糖预测模型之前必须对这些背景干扰进行有效地控制与消除,否则使用多变量回归方法所建立的血糖预测模型中很可能存在伪相关。因此为了更好地实现无创血糖检测,测量系统本身必须具备很高的血糖检测能力,并且在控制测量条件尽可能稳定的前提下,采用合适的数据处理方法去除绝大部分的背景干扰。为此,对自行研发的无创血糖检测系统的血糖检测能力进行了评估,证明了本系统能够达到较高的测量精度;对三名健康的受试者开展了口服糖耐量试验(OGTT)以及口服水耐量试验(OWTT),对比了本系统在两个不同光源-探测器距离下测得的OGTT与OWTT的光谱数据,发现在两个光源-探测器距离下OGTT吸光度变化量的方差值都大于OWTT,但由于受到背景干扰的影响,三名受试者的吸光度变化量的方差值随波长的分布特点存在较大的差异;对两个光源-探测器距离下的光谱数据进行差分处理,对比分析OGTT与OWTT的差分光谱数据,结果表明OGTT差分吸光度变化量的方差值远大于OWTT,且三名受试者的差分吸光度变化量的方差值随波长分布特性与葡萄糖溶液的吸收特性基本一致,证明使用自行研发的无创血糖检测系统配合差分处理方法,能够有效去除背景干扰,提取血糖浓度信息。