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。

糖尿病是影响人类健康的重大疾病之一，患者需要长期监测并控制自身血糖浓度以防止并发症的发生。相比于传统的有创检测方法，光学无创血糖检测能够极大地减轻病人的采血痛苦，通过增加测量次数来精确控制血糖。基于光学相干层析成像(OCT)的无创血糖检测是近些年来极具发展潜力的技术之一，但目前存在的问题是被测试者在仪器图像采集过程中，自身不自觉的轻微抖动会造成被采集皮肤区域的三维图像在空间范围内前后不一致，从而影响无创血糖测量的准确度。针对这一问题，提出了一种基于OCT无创血糖检测的皮肤三维图像校正补偿方法。经此方法处理后的人体临床实验数据表明，无创血糖预测值的准确度提升了36.57%。该研究对光学无创血糖检测具有重要的参考价值。同时该方法也适用于其他需要进行精确定量计算的光学成像应用。

为了克服时域信号易受环境干扰影响的缺陷, 提高液体浓度光声测量的稳定性, 在已有的光声信号时域峰峰值特性研究的基础上, 对光声信号的频域特性展开研究。分别讨论了葡萄糖溶液光声信号的功率谱特性和最大熵谱特性, 并分别采用峰值检测、对数拟合等方法对光声信号的频谱特性进行分析。对比了葡萄糖光声信号时域峰峰值与功率谱、最大熵谱的非线性误差和重复性误差。实验结果表明: 对最大熵谱曲线进行对数拟合之后采用截距表征光声信号的方法, 其非线性误差和重复性误差相比于传统的时域峰峰值检测方法分别减小了28%和71%。由此可以得出: 频域分析方法可以显著减小葡萄糖浓度检测的非线性误差和重复性误差, 提高无创血糖浓度检测的精度与稳定性。

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。

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。

利用光声光谱法无创血糖检测原理,以葡萄糖粉末和葡萄糖水溶液为样品、用调制激光作为信号激发源进行试验研究。可得到各个调制频率对应的光声信号幅值,进而得到光声信号幅值大小和调制频率的关系,最终找到葡萄糖粉末对应的最佳调制频率。在最佳调制频率下,测试葡萄糖水溶液,得到声信号随葡萄糖浓度增加的变化关系。实验不但找到葡萄糖对应的最佳调制频率,而且得到光声信号随葡萄糖浓度增加的线性关系,验证了光声光谱法在无创血糖检测中的可行性,为光声光谱法应用于无创血糖检测提供了一定参考价值。

基于光声光谱的无创血糖监测方法具有灵敏度高、特异性好等突出优势,其光声池发挥着至关重要的作用,主要表现在如何提供一个优越的光声转换环境和增强光声信号的作用。现主要以RG理论为基础,分别对两种光声池进行设计和研究,给出光声池的设计方法及其结构参数计算过程,并通过具体实验来检验光声池结构参数设计的正确性、实用性和可行性。这两种光声池一种是非共振双腔差分光声池,适用于固体检测;另一种是非共振单腔光声池,适用于固液体样品检测。

常规的有创血糖检测方法有较多的局限性, 光学无创血糖检测是糖尿病患者自我血糖评估的最佳方法, 提出了一种偏振光无创血糖检测方法, 将正弦调制偏振光通过血糖引起的微小偏振角的变化转化为电光调制器基频和倍频两个分量的变化, 由相关原理高灵敏锁相放大器检测基频信号, 控制法拉第线圈电流补偿血糖引起的偏转角变化, 利用血糖浓度与法拉第线圈电流的线性关系, 计算获得血糖浓度。以LX-20全自动生化分析仪测得的数据作为标准进行对比实验, 葡萄糖溶液实验的相关系数为0.9952。研究表明偏振光无创血糖检测方法具有较高的检测灵敏度和准确度, 为研制实用的新型无创血糖检测仪打下了基础。

在测量人体皮肤中红外光谱的过程中， 皮肤与ATR晶体之间的接触面积很难保持一致， 导致倏逝波与人体皮肤的作用光程会产生差异。 以光程变化信息与葡萄糖浓度信息之间的相关性为基础， 建立了两个分析葡萄糖含量的偏最小二乘回归（PLSR）模型， RMSECV分别为31.3和4.52 mg·dL-1； RMSEP分别为30.3和98.7 mg·dL-1。 结果表明， 当光程变化信息与葡萄糖浓度信息之间偶然相关时， 所建PLSR模型的预测精度与稳健性会受到不同程度的影响， 随着二者之间相关性的增强， 最优模型对葡萄糖信息的识别能力越来越弱。 为提高中红外无创血糖测量分析结果的可靠性， 避免获得伪优定标模型提供了实验依据。