人体血液成分无创检测的动态光谱理论分析及实验研究

论文题目: 人体血液成分无创检测的动态光谱理论分析及实验研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 生物医学工程

作者: 李晓霞

导师: 李刚

关键词: 血液成分,动态光谱,频域测量,小波自适应滤波,奇异点检测,测量条件,小波波长选择,蒙特卡罗

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 人体血液成分的无创检测是人们梦寐以求的愿望,它的实现会代替传统的有创检测方法,可以减轻很多病人的痛苦。但是,这项测量分析技术用于人体检测还有相当的距离,主要是由于近红外光谱技术受着多种因素的干扰,使得最终结果的检测精度在实际的应用中受到限制。在近红外光谱经皮无创检测中,个体差异对于吸光度的影响尚无法测量,因此设法消除皮肤组织及其皮下组织对于吸光度的影响,成为近红外光谱无创检测血液成分是否能够实施的关键。本文首次以消除近红外光谱分析中个体差异为重点,进行了一系列研究:①首次提出了基于光电容积脉搏波的产生机理和傅立叶变换的检测血液成分浓度的新方法--动态光谱的频域提取法,这种方法可以消除测量中由于皮肤组织和肌肉组织产生的大部分差异,从理论和实验两个方面说明了这种方法的优点,并通过实验直接提取了各波长中仅由血液成分产生的吸光度光谱图。该方法对于近红外光谱无创检测血液成分的实际应用有着重要意义。②动态光谱的采集过程中,由于脉搏波的数据是动态光谱稳定的基础,因此处理好脉搏波数据是取得稳定动态光谱的关键,针对脉搏波采集过程中,信噪比相对较低,采集的信号受呼吸作用及其他干扰等影响较大,用传统的滤波方法难以去除此类噪声,本文首次提出了基于小波自适应神经网络的脉搏波去噪方法,大大改善了信号提取的精度。③首次分别从积分时间、测量位置、测量压力、测量物体表面状况等方面探讨了提取动态光谱的最佳实验条件的问题。④深入研究了光谱处理过程中的奇异点剔除问题,首次提出一种基于最小子集——自组织特征映射神经网络的稳健奇异点检测方法,来提高校正模型的稳健性。⑤首次提出了一种在多变量数据中检测多奇异点的新方法,这种方法结合了矢量长度和自组织竞争网络的算法,是一种运用神经网络的稳健算法。运用这两种算法,光谱中的所有奇异点均可被检出,且结合了传统稳健算法与神经网络的优点。⑥针对红外光谱图中信号重叠的特点,分析研究了重叠峰分辨的问题;针对建立模型的过程中波长选择对于模型的影响,首次提出了基于小波系数倍乘法--箱形图法的波长选择方法。此方法简单有效,可以有效地提高模型的预测精度。⑦针对人体内成分无创近红外光谱测量中,动脉血液的散射对于动态光谱测量的影响的问题,首次提出了基于动脉血厚度变化的蒙特卡罗模型。并仿真研究人体内成分无创近红外光谱检测中动脉血管厚度变化及其他组织厚度变化时接受光能量的变化情况,并从实验方面做出了证明。动态光谱为近红外光谱技术在无创人体内成分检测中提供了一个全新的思路,从理论上证明了它的可行性,具有广阔的发展前景,本文的研究成果为该方法的成功实施奠定了理论和实验基础。

论文目录:

中文摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 选题背景

1.2 人体血液成分无创光谱检测的研究现状

1.2.1 近红外光谱技术及其特点

1.2.2 近红外光谱无创研究技术现状

1.3 人体成分近红外光谱测量存在的问题

1.4 本课题的目的和意义

1.5 本论文的主要研究内容及结构

第二章 人体血液成分无创光谱检测的动态光谱理论

2.1 近红外光谱应用于人体内成分检测

2.1.1 近红外分子振动光谱

2.1.2 有机化合物的近红外光谱特征

2.2 光谱检测理论基础

2.3 人体组织特性及光电容积脉搏波

2.3.1 人体皮肤及皮下组织的解剖特性和光学特性

2.3.2 人体皮肤及皮下组织的光学特性

2.3.3 血液及其组成成分

2.3.4 光电容积脉搏波描记法原理及其应用

2.4 脉搏血氧检测原理

2.5 动态光谱理论的提出与测量

2.5.1 动态光谱的定义与时域测量

2.5.2 动态光谱的频域测量

2.5.3 动态光谱的频域测量的讨论

2.6 实验研究及讨论

2.6.1 实验装置

2.6.2 动态光谱频域测量方法的实现

2.7 本章小结

第三章 小波自适应神经网络滤波与脉搏波信号去噪

3.1 引言

3.2 动态光谱测量中的噪声特性

3.2.1 测量仪器的噪声特性

3.2.2 光谱图中的噪声信号特征

3.2.3 光电脉搏信号中的噪声特征

3.3 噪声去除的常用方法

3.4 噪声滤除方法的评价标准

3.5 小波自适应神经网络方法滤除脉搏波噪声

3.5.1 小波方法的原理

3.5.2 噪声在小波分解下的特性

3.5.3 噪声滤除的小波方法

3.5.4 小波自适应神经网络方法滤除脉搏波噪声

3.6 本章小结

第四章 基于动态光谱理论的精度分析和测量条件的研究

4.1 引言

4.2 动态光谱法对提高血液成份检测精度的理论分析

4.2.1 对于测量仪器及测量条件的精度分析

4.2.2 对预测及校正模型精度的分析

4.3 傅立叶变换对动态光谱影响的精度分析

4.3.3 对预测及校正模型精度的分析

4.3.4 采样周期个数，采样率，非同步采样对FFT 精度的影响

4.3.5 谐波分析中的高精度FFT 算法

4.4 动态光谱实验测量条件的研究

4.4.1 影响近红外光谱测量的因素

4.4.2 影响动态光谱测量的因素

4.4.3 测量条件对于动态光谱测量影响的实验研究

4.4.4 最佳测量条件的实现方法及分析

4.5 本章小结

第五章 应用神经网络剔除奇异点和提高模型的稳健性

5.1 引言

5.2 常用的多变量线性回归方法

5.2.1 多元线性回归模型

5.2.2 主成分回归模型(PCR)

5.2.3 偏最小二乘回归模型(PLS)

5.2.4 校正模型评价指标

5.3 奇异点的剔除对模型稳健性的提高

5.3.1 传统的奇异点检测方法

5.3.2 稳健的奇异点检测方法

5.4 奇异点剔除的稳健神经网络算法

5.4.1 最小子集—自组织特征映射神经网络的稳健奇异点检测方法

5.4.2 矢量长度-自组织竞争网络法奇异点剔除的稳健算法

5.5 本章小结

第六章 重叠峰分辨及波长优选的研究

6.1 引言

6.2 重叠峰分辨的研究

6.2.1 常用的重叠峰分辨技术

6.2.2 重叠峰分辨的小波离散细节系数倍乘法

6.2.3 Daubechies 小波

6.2.4 实验研究

6.2.5 结论

6.3 多变量校正模型的波长优选

6.3.1 多变量校正模型进行波长优选的必要性

6.3.2 波长优选方法的研究概况

6.3.3 几种波长优选方法的比较

6.4 小波细节系数倍乘-箱形图法进行波长选择

6.4.1 小波细节系数倍乘-箱形图法原理

6.4.2 实验研究

6.4.3 结论

6.5 本章小结

第七章 组织的散射特性对于动态光谱测量影响的研究

7.1 引言

7.2 组织光学及光在生物组织中传输的基础理论

7.3 生物组织的光学特性

7.4 蒙特卡罗模型介绍

7.4.1 光在生物组织中传输的蒙特卡罗方法

7.4.2 蒙特卡罗模拟过程

7.5 基于血液动态变化的蒙特卡罗模型

7.6 本章小结

第八章 全文总结

8.1 本课题完成的主要研究内容和相关结论

8.2 论文的主要创新点

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢

发布时间: 2007-07-10

参考文献

• [1].动态光谱法血液成分无创检测初步研究[D]. 刘玉良.天津大学2007
• [2].近红外无创血液成分测量—动态光谱检测理论及信号提取方法研究[D]. 王焱.天津大学2007

相关论文

• [1].动态光谱法血液成分无创检测若干关键技术研究[D]. 王慧泉.天津大学2014
• [2].血液成分的动态光谱法分析与血栓风险的血液学指标评估[D]. 门剑龙.天津大学2012
• [3].无创血糖检测中的近红外血流容积光谱基本问题研究[D]. 丁海泉.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）2010
• [4].人体内成分无创光谱检测中测量条件的研究[D]. 蒋景英.天津大学2003
• [5].近红外光谱技术在人体血糖无创检测中的应用研究[D]. 张洪艳.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）2005
• [6].近红外无创血糖测量—信号拾取的理论和实验研究[D]. 陈文亮.天津大学2005
• [7].近红外无创血糖测量—信号构成和拾取的理论及实验研究[D]. 刘蓉.天津大学2006
• [8].近红外无创伤血糖浓度测量方法的组织光学基础及应用研究[D]. 罗云瀚.天津大学2006

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