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

论文摘要

血糖浓度的近红外无创伤测量是全世界关注且具有重要现实意义的课题,但真正无创伤血糖浓度测量尚未实现临床应用。其原因在于人体组织复杂、血糖信号微弱而背景噪声强以及测量对象个体差异大和随时间变化显著等方面。本论文旨在通过研究血糖浓度测量的组织光学的基础问题,建立起光在皮肤模型中的传输模型,并分析个体差异对于测量位置选择的影响,最后推导并证明一种既能实现血糖浓度灵敏度最大化又能有效克服内部噪声影响的浮动基准方法。首先,从组织光学和化学计量学的角度阐述了血糖浓度测量的原理和过程,强调在复杂的介质情况下研究光传输规律的必要性和重要性。系统地分析了葡萄糖浓度变化、皮肤组织光学特性以及光在组织内传输规律这三者之间的内在联系,建立了微观的光子散射模型和宏观的皮肤三层结构模型,提出的光子检测概率密度函数综合了传输方程的解析特性和随机行走的概率统计特性。通过比较研究,确定了皮肤组织在1100～1700nm的光学参数。综合分析了漫反射光的统计特性以及血糖测量的位置选择。根据葡萄糖浓度测量的需要,分别研究了漫反射光的程长、穿透深度性质,并在此基础上研究了与血糖浓度测量密切相关的测量灵敏度和有效光子比例。综合考虑测量灵敏度、有效信噪比和极限测量的条件,推导了葡萄糖检测的极限浓度。详细分析光学参数和皮肤厚度差异对葡萄糖极限分辨浓度的影响,为血糖测量的测头设计奠定了坚实的理论依据。研究表明,要达到10mg/dl的葡萄糖极限分辨浓度,表皮层厚度必须在0.3～0.8mm范围以内且真皮层厚度大于0.8mm。皮肤光学参数10%的差异在3.0mm位置对测量极限浓度的影响在3%的范围以内。系统研究了浮动基准方法及其在血糖浓度测量中应用。浮动基准方法的提出是基于解决葡萄糖信号微弱、强背景噪声这两个问题的,为此首先分析了近红外血糖浓度无创伤测量中存在的三种噪声因素,即仪器系统的噪声、生理状态的变化和人机接口因素,分析了它们产生的根源和定量影响。然后,从理论上对浮动基准方法的原理及其存在条件加以推导,通过蒙特卡罗模拟证明了波长变化以及葡萄糖含量的变化对浮动基准点位置影响在0.2mm范围以内,保证了浮动基准方法在血糖测量中的适用性。最后,模拟和实验证明浮动基准方法在空间域和频域的应用能显著提高系统模型的预测相关性和预测均方根差。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 人体血糖浓度无创伤测量的意义
• 1.1.1 糖尿病及其危害
• 1.1.2 现有的控制方法
• 1.2 血糖浓度无创伤测量的方法概述及研究进展
• 1.2.1 血糖浓度无创伤测量的方法
• 1.2.2 血糖浓度无创伤测量的研究进展
• 1.3 血糖浓度测量的主要研究范围及存在问题
• 1.3.1 血糖浓度测量的主要研究范围
• 1.3.2 当前存在的主要问题
• 1.4 本论文的主要研究内容及结构安排
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 论文结构安排
• 第二章 皮肤光学参数与光学传输模型的系统研究
• 2.1 近红外无创伤血糖浓度测量原理概述
• 2.2 皮肤的组织结构和光学特性
• 2.2.1 皮肤的组织结构及成分
• 2.2.2 皮肤的光学参数及其测量方法
• 2.3 葡萄糖浓度对皮肤光学参数的影响
• 2.3.1 定性分析
• 2.3.2 葡萄糖浓度对散射特性的影响
• 2.3.3 葡萄糖浓度对吸收特性的影响
• 2.3.4 葡萄糖浓度对光学参数影响的实验研究
• 2.4 光在皮肤组织中传输的光学模型
• 2.4.1 解析理论模型
• 2.4.2 数值模拟模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 光学路径分析与测量位置选择的系统研究
• 3.1 概述
• 3.2 光程长与血糖测量灵敏度的研究
• 3.2.1 光程长的理论分析
• 3.2.2 光程长的实验研究
• 3.2.3 血糖浓度的测量灵敏度
• 3.3 光子穿透深度及有效光子比例
• 3.3.1 光子穿透深度的理论分析
• 3.3.2 穿透深度的模拟研究
• 3.3.3 穿透深度的实验研究
• 3.4 葡萄糖极限分辨浓度
• 3.4.1 糖水溶液中的极限分辨浓度
• 3.4.2 皮肤结构模型中的极限分辨浓度
• 3.5 个体差异对测量位置选择的影响
• 3.5.1 组织结构特性的差异
• 3.5.2 组织光学特性的差异
• 3.5.3 光学测头设计方案
• 3.6 本章小结
• 第四章 浮动基准方法的理论及实验研究
• 4.1 概述
• 4.2 近红外无创伤血糖浓度测量中的噪声因素
• 4.2.1 仪器系统的噪声因素
• 4.2.2 仪器系统与人体的接口因素
• 4.2.3 人体生理的变化因素
• 4.2.4 噪声因素小结
• 4.3 浮动基准方法的原理
• 4.4 浮动基准方法的存在条件
• 4.4.1 浮动基准点的存在条件
• 4.4.2 测量点的存在条件
• 4.5 浮动基准方法的适用前提
• 4.6 浮动基准方法的实验研究
• 4.6.1 实验目的与设计原理
• 4.6.2 实验装置及系统性能评价
• 4.6.3 样品配置和实验设置
• 4.6.4 实验结果与分析
• 4.7 浮动基准方法的应用研究
• 4.7.1 空间浮动基准方法的应用
• 4.7.2 基准波长法的应用
• 4.8 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本论文的主要创新内容
• 5.2 主要研究工作及结论
• 5.3 未来研究的展望
• 参考文献
• 博士期间发表的论文和参研项目
• 致谢