为实现人体血液甘油三酯(TG)含量无创检测, 应用近红外光谱技术(NIRS), 对单体TG进行定量分析。 通过离体实验优选检测波段(5 700～5 600和4 600～4 400 cm-1), 优化设计检测探头, 综合预处理方法等手段, 对其中TG含量进行定标和预测。 以期提升单体TG无创检测精度及稳定性。 无创采集54组单体光谱数据, 并对其中TG含量进行定标预测, 经对比分析确定平滑滤波(SG)结合偏最小二乘方法(PLS)的定标模型稳健性最优, 对预测集1, 2样品最佳分析结果: 预测标准偏差RMSEP分别为12和12.8 mg·dL-1, 相对预测标准偏差RSD为16.25%和17.33%, 预测精度理想, 基本可用于单人TG的日常监测。 鉴于SG-PLS模型在单体TG无创测量及日变化趋势预测方面的良好表现, NIRS分析技术将在TG无创检测与日常管理领域有更为广泛的应用前景。

人体内各种血液生化成分含量的变化是评价健康状况的重要信息。 人体皮肤中, 血糖、 胆固醇等生化成分主要存在于真皮层的血液中, 本文通过研究最佳的探测距离, 提高真皮层的近红外光谱信号强度, 排除表皮层、 皮下组织产生的干扰。 首先, 通过对人体皮肤的组织结构进行分析, 计算得到了皮肤各层的组织光学特性参数, 以葡萄糖在合频波段吸收峰2 270 nm处的组织光学参数为例建立了皮肤的蒙特卡罗模型; 然后, 利用蒙特卡罗方法模拟了光在皮肤中的传输规律, 得到了平均路径长度、 平均探测深度以及各层吸收光子能量比例随入射角度、 探测距离的变化情况。 结果表明, 光子以小于45°角入射时, 可以忽略入射角度对光子传输路径的影响。 探测距离为1 mm时, 真皮层吸收光子能量所占比例最大, 同时又能保证探测器接收到较多的能量。 本文确定1 mm作为最佳的探测距离, 可以有效降低皮肤中其他组织的干扰, 获取真皮层中血液的光谱信息, 有利于生化成分的近红外无创检测, 为后续实验奠定理论基础。

在近红外光谱无创生化检测中, 血流容积光谱相减方法在理论上可以消除组织背景等干扰因素, 提取出血液的有效光谱信息。 为论证血流容积光谱相减方法有效性, 设计了相应的模拟实验。 采用生物分子水溶液模拟血清样品, 不同吸收特性的滤光片模拟组织背景干扰, 可变厚度样品池模拟血流容积变化。 比较了光谱相减方法处理前后的模型精度, 处理前模型定标相关系数(Rc)为0.476, 交叉检验标准差(RMSECV)为437 mg·dL-1; 处理后Rc达到0.977, RMSECV降至301 mg·dL-1。 实验结果表明血流容积光谱相减方法能够较好抑制或扣除组织背景干扰, 大幅度提高模型预测精度。

近红外无创生化检测中采用不同血流容积光谱相减的方法理论上能够消除人体组织产生的强背景干扰, 但人体光谱相减后得到的血液光谱的光程是未知的, 这给校正模型的建立带来了困难。 通过设计模拟实验并采用正交信号校正的方法对光程信息进行校正, 提高不同光程的光谱建立校正模型的预测精度。 分别建立了光程校正前后的模型, 模型的交叉验证标准偏差从90.17 mg·dL-1下降到31.62 mg·dL-1, 相关系数从0.978 7提高到0.996 8。 实验结果表明, 采用正交信号校正的方法能够有效抑制光程信息的干扰, 提高模型的预测精度, 这为不同血流容积光谱相减法的实际应用提供了基础。

利用近红外血流容积光谱相减方法无创伤定量分析人体血液生化成分时，获得的在体血液光谱对应的样品光程是不确定的。为研究样品间的光程差异对定标模型预测精度的影响，配制了30份模拟血清样品，利用可变光程样品池，采用傅里叶光谱仪分别测量了相同光程和不定光程两组样品的近红外光谱。以分析血清白蛋白成分为例，对两组样品的定标模型精度进行比较，结果显示不定光程组的模型精度与相同光程组的模型精度相比明显下降, 交叉检验标准差（RMSECV）由110.0 mg/dL增大至156.0 mg/dL。采用多元散射校正算法对上述光谱数据校正后，RMSECV降低至98.1 mg/dL。对比分析处理前后两组模型的精度，证实了采用适当的预处理方法能够有效校正不定光程引起的光谱误差，提高模型预测精度。