在基于近红外光谱法的无创血糖测量领域, 受人体皮肤状态波动的影响, 血糖预测模型无法长时间使用, 极大地限制了该方法在临床上的应用。 皮肤血流灌注是与人体生理状态密切相关的参数, 直接影响着皮肤中水分的流动, 它还难以像温度、 压力那样借助外部手段进行控制。 在皮肤光谱的测量中, 血流灌注会通过水分的迁移间接影响真皮层的厚度, 并使得光谱产生较大变化。 借助蒙特卡洛模拟方法仿真了在1 000~1 700 nm波段真皮层厚度变化±30 μm时三层皮肤的漫反射光强、 光子穿透深度与平均光程, 研究了真皮层厚度变化后的光谱变化规律。 对两个光源-探测器距离下的衰减度进行差分, 用于消除真皮层厚度变化的影响, 对1 000~1 700 nm的波长均给出了适宜的差分测量距离。 发现1 200 nm波长附近, 当真皮层厚度变化时, 漫反射衰减度在每个测量距离下的变化都非常小, 因此是较适宜的测量波长。 而对于水的吸收峰1 450 nm附近的波长而言, 漫反射衰减度随着光源-探测器距离的增加而变大, 且在一定范围内急剧变化; 因此, 应避免选择这些光源-探测器距离。 对于常用的血糖测量波长1 200、 1 300及1 600 nm波长而言, 光源-探测器距离可选在小于0.1 cm或大于0.4 cm的范围, 此处漫反射衰减度变化随着光源-探测器距离变化较缓慢, 采用差分处理可较好地消除真皮层厚度变化对光谱的影响。 考虑到不同光源-探测器距离下对应的真皮层光子百分比不同, 可选择主要对应于真皮层的光源-探测器距离, 该工作采取80 %真皮光子百分比为界限。 综上, 综合现有仪器能达到的测量精度水平, 对于1 200、 1 300和1 600 nm波长, 可选择0.03~0.1 cm范围内的两个光源-探测器距离进行差分测量, 可以较好地抑制真皮层厚度变化的影响, 从而有效减小皮肤血流灌注变动的影响。

近红外人体血糖浓度无创检测所面临的主要问题之一是人体温度变化干扰测量光谱。 为此, 提出使用基于外部参数正交化(EPO)的光谱预处理方法, 对测量部位体温改变时的光谱进行温度校正。 该方法仅需预先采集人体体温变化时的漫射光谱, 即可获得消除温度干扰的滤波矩阵, 利用该矩阵可以将不同体温下的光谱校正至基准温度水平。 预先对外部干扰变量单独建立模型, 与血糖浓度预测模型的建立分离。 EPO原理提出组成光谱空间的干扰信号空间与有用信号空间正交, 即温度光谱响应与葡萄糖浓度光谱响应之间彼此正交, 而在实际测量中, 仪器系统漂移, 人体出汗等共模干扰常导致有用信号和干扰信号存在偶然相关, 影响了消除温度干扰的效果。 因此在进行温度校正之前, 首先对原始光谱进行位置差分处理, 经验证位置差分方法能够消除仪器系统漂移带来的共模干扰, 获得的吸光度光谱中温度响应部分和浓度响应部分彼此正交。 使用蒙特卡洛模拟人体三层皮肤模型获得血糖光谱数据, 模拟样品参数均根据实际人体实验中的参数水平设置。 对受温度干扰的光谱进行位置差分处理后使用EPO进行温度校正, 然后利用校正后的光谱数据建立偏最小二乘回归(PLSR)模型。 与校正前光谱建模结果比较, 校正后的模型均方根误差(RMSEC和RMSECV)明显降低, 相关系数得到一定的提高, 同时主成分数减少, 验证了该温度校正方法的有效性。

近红外漫反射光谱法可用于物质成分定性、 定量分析, 具有快速、 无损检测等优点, 在食品、 制药、 环境监测、 生命科学等领域有广泛应用。 采用近红外漫反射光谱对浑浊散射介质进行成分定量分析时, 由于光散射作用, 介质吸光度随测量距离不再呈线性变化, 不同测量距离下测量模型也很难转换。 从扩散方程出发, 提出了从漫射光谱中提取线性吸光度的方法, 获得了与测量距离无关的介质光学参数——有效衰减系数的光谱, 该光谱可反映介质吸收变化, 并用于物质成分测量。 具体采用了双位置差分法, 可在线性吸光度的范围内任意选取两个光源-探测器距离测量, 通过差分获得与测量位置无关的有效衰减系数光谱, 其中测量距离可依据波段灵活地进行选择。 另外, 经理论推导可知, 差分运算的同时还大大削减了光子扩散对测量的影响, 有利于不同散射特性的介质间光谱模型的相互借鉴。 经理论计算、 蒙特卡洛模拟和实验验证, 在1 000~1 360 nm波段, 该方法适用于强散射的浑浊水溶液。 对散射系数处于较大范围(28.53～87.47 cm-1)的intralipid水溶液进行了测试, 获得了线性吸光度的光源-探测器距离范围。 进一步以葡萄糖为被测成分为例, 获得了葡萄糖在intralipid水溶液中的有效衰减系数光谱。 采用测量距离连续可调的漫反射光谱测量系统进行了实验, 测量范围位于0～0.3 cm, 测试了3种典型的介质(3%, 5%, 10%Intralipid水溶液)。 结果可知, 3种介质中葡萄糖光谱呈现一致性, 它们之间的测量模型可以方便地进行线性转换。 研究对象intralipid水溶液常作为生物组织的仿体, 其光学参数也覆盖了常见的牛奶、 果汁等被测浑浊溶液, 因此测量结果具有广泛的适应性。 综上, 该研究实现了对浑浊水溶液中物质成分线性吸光度的提取, 该方法不仅使得测量位置的选择更加灵活方便, 还有利于实现不同散射介质间模型的线性转换, 特别适用于介质成分复杂多变的场合下的测量应用, 如对人体组织、 牛奶或食品中的成分测量等。

应用光谱方法测量生物组织成分时, 信号的拾取一般有两种方法: 透射法和反射法。 其中, 根据光纤测头与生物组织接触与否, 反射法分为接触和非接触两种形式。 接触测量时, 只有携带了组织信息的深层反射光进入测头, 但接触测量中压力、 温度等变化会导致测量条件的变化, 进而影响光谱数据的稳定性; 非接触测量时, 虽然克服了接触压力、 测头温度等对测量的干扰, 却会导致不携带光与组织相互作用信息的表面反射光进入测头, 由于表面反射光强度高且集中, 将会影响检测器的动态范围。 因此非接触测量的最大问题是如何有效地消除生物组织表面反射光的影响。 针对非接触测量中生物组织表面反射光的消除方法进行了系统研究, 对课题组之前提出的正交偏振法进行了理论和实验分析。 首先, 以不同被测物为对象, 研究了表面反射光的偏振态, 结果表明表面反射光的偏振度与表面粗糙度密切相关, 表面粗糙程度越小, 偏振度越高, 由此推断出, 经表面光滑的Intralipid溶液反射后的表面反射光具有保偏特性; 然后, 以Intralipid-20%溶液为被测对象, 对正交偏振法消除表面反射光的效果进行了研究, 实验结果显示正交偏振法可以消除97%以上的表面反射光; 最后, 比较分析单波长下不同源探距离处的接触和非接触式光谱测量曲线, 二者高度重合, 这一现象进一步说明了正交偏振法消除表面反射光的有效性。 该研究通过评价正交偏振法消除组织表面反射光的能力, 旨在消除接触式漫反射光谱检测中测量条件变化对测量的影响, 以期推动近红外无创光谱检测技术的进一步发展。

水的近红外吸收光谱受温度影响较大, 采用近红外光谱法对水溶液样本进行成分测量时, 温度的影响不能忽视。 特别对于葡萄糖这种弱吸收成分, 温度的微小变化会对其测量精度造成较大影响。 实验发现葡萄糖水溶液在30 ℃附近时, 温度每变化1摄氏度, 在1 160 nm处溶液的吸光度变异系数约0.344 7%, 这个变化约相当于500～600 mg·dL-1葡萄糖浓度引起的溶液吸光度变化量。 将近年来发展的几种化学计量学方法用于温度扰动下葡萄糖水溶液的光谱修正, 以提高葡萄糖测量精度, 具体包括广义最小二乘加权法(GLSW)和外部参数正交化方法(EPO)。 对不同温度的葡萄糖水溶液样品在900～1 350 nm的光谱进行采集, 测试了两种方法对温度变化后光谱的修正效果, 考察了修正后光谱的葡萄糖预测误差, 并与传统的考虑温度变量的多变量回归方法—偏最小二乘(PLS)回归法进行了比较。 结果表明, GLSW和EPO方法对不同温度下的溶液光谱有好的校正效果, 不同温度下溶液光谱的变异系数得到显著改善, 同时两种方法在模型复杂性、 温度修正效果等方面都优于传统方法。 研究可推广到其他水份含量较大的样品测试场合, 也对人体组织中的葡萄糖测量有借鉴价值。

在采用近红外漫反射光谱对浑浊介质中的物质浓度做定量分析时，物质浓度测量的灵敏度与所选的光源-检测器位置有较大的关联。解析了物质浓度测量的灵敏度随光源-检测器距离变化的曲线特点，给出了三个特殊位置：灵敏度全局极大位置、灵敏度为零的位置和灵敏度局部极大的位置。以葡萄糖在某浑浊介质溶液（含血红蛋白、白蛋白的Intralipid溶液）中的测量为例，从扩散方程、蒙特卡罗模拟、漫反射光谱测量实验三方面，均验证了灵敏度曲线中存在的这三个特殊位置。另一方面，考虑到近红外光源的稳定性、铟镓砷检测器的量子效率与系统噪声等因素的限制，采用仪器的信噪比作为另一个客观指标，对实际测量可得到的灵敏度进行了评价。综合灵敏度曲线的特点和仪器的实际测量水平，给出了测量葡萄糖的最佳位置，可实现最优的测量灵敏度与测量精度。采用优化后的测量位置，葡萄糖的测量灵敏度可提高10倍以上。测量葡萄糖灵敏度的研究对人体组织中的无创血糖检测有较好的参考价值，同时，对漫射光谱灵敏度的解析方法可被借鉴于其他物质的近红外漫反射光谱测量位置的优选。