脉冲式近红外无创检测技术研究初探

论文摘要

近红外无创检测技术由于其具有对机体本身无损伤、能改善机体微循环、操作方便、无污染等优势广泛受到各界研究工作者的青睐,其中近红外无创血氧、血糖浓度检测技术是目前生物医学领域中研究的重要内容之一,尤其是脑血氧饱和度的无创实时监测研究,更是在临床监护以及呼吸系统疾病的辅助治疗等方面都具有重要的影响力。本文首先就近年来取得较大研究进展的近红外无创血氧检测系统为例,系统阐述了近红外无创检测技术的相关基础理论、技术要点以及近红外无创检测技术的研发现状与应用情况,并重点介绍了透射式近红外无创血氧检测技术与反射式无创血氧检测技术的检测原理与技术手段,总结分析了目前近红外无创血氧检测中所遇到的对机体入射深度不够、检测信号噪声大等影响近红外无创检测技术测量精度的主要因素及与之相应的优化技术的研究进展。脉冲技术在工业无创检测中的最新研究结果表明,脉冲发射功率、波长、占空比等脉冲基本参数是影响脉冲检测信号对实验待测对象透射结果的重要因素。基于上述相关原理与理论,本文提出了结合脉冲技术相关研究理论,从检测近红外脉冲对人体机体组织的透射情况着手进行基于脉冲技术的近红外无创检测基础实验研究,通过近红外脉冲透射实验研究了可能影响近红外脉冲对人体组织透射情况的相关因素及其作用机制。实验硬件选用脉冲参数可调的高频脉冲发射、接收电路,以及高精度的近红外发射接收对管,并选定了适合人体无创检测的波长为850nm(纳米)和940nm(纳米)的近红外脉冲作为检测信号载体,以手指指尖和手掌作为实验透射对象,测定了不同波长的近红外脉冲在特定发射频率40KHz(千赫)下对人体组织的透射情况,并通过改变近红外脉冲的一些发射参数,在实验中测定近红外脉冲的发射频率、脉冲占空比值、近红外脉冲发射波长等基本参数对近红外脉冲在人体肌体组织中透射深度的影响,并记录了不同脉冲参数值情况下,示波器所接收到的通过近红外接收端获取的近红外脉冲信号图像,通过对比分析讨论了影响近红外脉冲机体透射深度的基本参数机制。实验结果表明,波长为850nm以及940nm的近红外脉冲在发射频率为40KHz的情况下,其占空比值参数与其对人体组织的透射情况之间存在显著的规律性相关。本文结合脉冲相关理论,对实验中所获得的这一实验结果进行了讨论与分析,指出近红外脉冲占空比值等脉冲参数通过影响近红外脉冲的功率以及脉冲在肌体内的传播、散射等效应,可以在一定程度上决定近红外脉冲对人体组织的透射深度。该结果证明,通过合理调节近红外脉冲的占空比值,可以在一定程度上改善近红外脉冲对人体复杂组织的透射深度。而该结果也表明,占空比值作为影响近红外脉冲对人体组织透射情况的重要参数之一,对该参数的进一步研究可能有助于在一定程度上优化近红外无创检测技术中因对肌体组织的透射损耗而导致的检测误差,此举不失为探究进一步提高血氧、血糖等生化指标无创检测精度的新思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 研究背景
• 1.2 近红外无创血氧检测技术的研究意义及发展现状
• 1.3 脉冲技术国内外研究现状
• 1.4 本论文的内容安排
• 1.5 本章小结
• 2 近红外无创血氧检测相关理论
• 2.1 光谱分析理论与技术手段
• 2.1.1 组织光学理论
• 2.1.2 光谱分析技术
• 2.2 近红外无创血氧检测的主要方法
• 2.2.1 透射式无创血氧检测技术
• 2.2.2 反射式无创血氧检测技术
• 2.3 影响近红外无创血氧检测精度的各项因素
• 2.3.1 机体差异
• 2.3.2 检测技术亟待完善
• 2.4 本章小结
• 3 方案分析与讨论
• 3.1 主要研究内容与目标
• 3.2 技术路线
• 3.3 检测对象的选择
• 3.4 测量方式的选择
• 3.5 脉冲参数的选择
• 3.5.1 脉冲波长的选择
• 3.5.2 脉冲发射频率的选择
• 3.5.3 脉冲占空比值范围的选择
• 3.6 本章小结
• 4 实验研究内容
• 4.1 硬件构成
• 4.1.1 硬件整体框图设计
• 4.1.2 实验光路原理图
• 4.2 电路系统设计
• 4.2.1 近红外脉冲发射电路
• 4.2.2 近红外脉冲接收电路
• 4.2.3 近红外脉冲信号发射接收对管
• 4.3 数据记录
• 4.4 本章小结
• 5 结果与分析
• 5.1 近红外脉冲对人体组织的透射波形
• 5.2 不同波长近红外脉冲对指尖透射情况与其占空比值之间的关系
• 5.3 实验结果分析与理论验证讨论
• 5.3.1 实验结果分析与讨论
• 5.3.2 相关理论验证分析与讨论
• 5.4 实验误差分析与总结
• 5.4.1 影响近红外检测精度的外界因素分析
• 5.4.2 影响近红外检测精度的系统因素分析
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 创新点
• 6.3 存在的问题与不足
• 6.4 展望
• 6.4.1 基于血氧模块的无创血氧检测技术优化方案
• 6.4.2 基于血氧探头的无创血氧检测技术优化方案
• 6.4.3 基于单片机的无创血氧检测技术优化方案
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录