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。

使用网络分析仪测量了宽频带200 MHz~10 GHz内葡萄糖水溶液的介电特性。测量结果表明,当频率不变时,葡萄糖水溶液的介电常数和电导率均随葡萄糖浓度的增大而减小。单阶Debye模型和二阶多项式被用于拟合各浓度下葡萄糖水溶液介电特性的测量数据,有效量化了介电特性随浓度和频率的变化关系。基于Debye模型参数建立了三维耳垂色散模型和天线收发结构。仿真结果表明,S21信号与葡萄糖浓度之间在相当宽的频带范围内都保持着稳定的、规律性的响应关系,该响应关系可通过二次多项式表达。基于S21的微波无创血糖检测方法可用于未知血糖浓度的评估。

利用光声技术对血糖浓度无损检测进行了初探，搭建了一套可调谐脉冲激光器激发、聚焦超声探测的光声无损血糖检测系统，采用前向探测模式、前置预放大、GPIB-USB 总线传输和LabVIEW 软件开发平台，实现了葡萄糖水溶液的光声信号实时采集。实验得到了质量浓度为0~300 mg/dL 的葡萄糖水溶液的实时光声信号，并在1300~2300 nm 近红外波段内对不同浓度的葡萄糖溶液进行波长间隔10 nm 的连续扫描激发，得到不同浓度在不同激发波长下的光声峰峰值。利用差分和一阶导数谱方式得到葡萄糖特征吸收波长，对优选的多个特征波长利用最小二乘拟合算法建立了浓度和光声峰峰值数学校正模型，并对多个特征波长下建立的校正模型进行浓度反演对比，以预测均方根误差最小为标准，筛选出两个浓度预测结果相对较好的特征波长。

为了提高人体血糖近红外光谱定量分析模型的预测精度， 结合净信号预处理（NAP）算法和径向基偏最小二乘（RBFPLS）回归建立了一种适合于人体血糖测量的非线性建模方法NAP-RBFPLS。 本文首先利用NAP对近红外光谱进行预处理来有效地提取原始光谱中仅与葡萄糖信号相关的光谱信息， 从而有效地减弱了人体血液中水、 白蛋白、 血红蛋白、 脂肪等成分的吸收干扰以及人体体温的变化、 测量仪器本身的漂移、 测量环境的变化和测量条件的变化引起的干扰因素与血糖变化的偶然相关问题； 然后把净信号预处理后的近红外光谱数据通过RBFPLS建立了非线性定量分析模型来解决由于人体强散射引起的血糖浓度与近红外光谱之间的非线性关系， 并与偏最小二乘（PLS）、 基于净信号预处理的偏最小二乘（NAP-PLS）和RBFPLS这三种建模方法建立的定量分析模型进行了对比分析。 实验结果表明， 这两种方法相结合建立的非线性校正模型对预测集的预测精度有了很大的提高， 这将对人体血糖浓度无创检测技术的研究具有实际应用价值。

开发了一种小型化人体血糖浓度无创检测系统， 该系统可实现人体血糖浓度的快速、 实时、 无创检测， 主要由嵌入式系统、 夹具、 光源系统和微型光栅光谱仪四部分组成。 提出了一种光源稳压驱动电路方案， 可满足多种光谱采集条件对光源的要求。 同时提出了一种一体化夹具设计方案， 不仅简化了系统的光学结构， 而且提高了测量条件的可重复性。 分别用小波去噪和核偏最小二乘法对采集的光谱数据进行预处理和数学建模， 并对系统进行性能评价， 血糖浓度预测值与标准值的相关系数为0.95， 预测均方根误差为0.6 mmol·L-1， 系统的重复性较好。

血糖浓度的准确检测对于糖尿病的治疗具有重要的意义。 本文采用连续幂系数回归方法有效地提高了近红外无创检测人体血糖浓度的预测精度。 该方法是传统偏最小二乘法(PLS)的扩展, 实现简易, 且当幂系数选取恰当时, 能够明显地提高预测精度。 应用该方法分别建立了四成分葡萄糖实验和人体口服葡萄糖实验的定量分析模型, 并利用该模型对预测集样本进行预测。 实验结果表明, 与PLS相比, 该方法建立的定量分析模型不仅可以提高预测精度, 而且可以针对不同的测量对象设定不同的幂系数以达到最佳的建模效果。 根据不同个体灵活地选取幂系数, 对于人体血糖浓度近红外无创检测研究具有很大的应用价值。

糖尿病威胁着人类健康, 血糖有创检测的弊端使无创检测方法成为糖尿病患者的迫切需求, 无创血糖检测也因此成为国内外学术界研究的热点。 但到目前为止还没有一种无创检测仪器有足够的精度能够应用于临床。 文章中介绍了研究较多的光声光谱法、 拉曼光谱法、 荧光法、 偏振光旋光法、 光学相干层析成像法, 近红外光谱法等光学光谱检测方法的原理、 方法、 特点以及当前国内外研究现状和进展。 从中分析了限制血糖浓度无创检测应用于临床的技术难点问题及未来的研究方向, 指出动态光谱方法是无创血糖测量中最有应用前景方法之一。

采用偏稳健M回归方法有效地解决了人体血糖浓度近红外无创检测研究过程中由于样本奇异值影响模型稳健性的问题。 该方法源于现有的迭代变权偏最小二乘法, 计算快、 易于实现, 具有M估计的所有性质, 且当权函数选择合适时, 能降低奇异值的影响, 建立具有稳健性的校正模型。 采用该方法对近红外光谱实验数据进行了处理, 并与传统的偏最小二乘(partial least squares, PLS)建模方法进行了比较。 结果表明, 与PLS相比, 该方法可建立稳健的校正模型提高预测精度, 更适合复杂样品建模, 对于人体血糖浓度近红外无创检测的进一步研究具有应用价值。

人体血糖浓度无创伤测量是当今学术界和医学界普遍关注的课题.在分析了血糖浓度尤创伤测量的意义、现有的测量方法及其进展后,从组织光学角度分析血糖浓度无创伤测量中包含的研究内容,并根据当前的研究现状,提出血糖浓度无创伤测苗所存在的问题.通过组织光学角度对血糖浓度无创伤测量方法的剖析,更加明确血糖测量的研究任务,有望促使其更进一步的发展以及血液中其他成分的无创测量.

通过分析血糖浓度变化对光学参数的两种作用及其对光传播的影响,针对葡萄糖主要分布于皮肤真皮层的特点,引入了有效信噪比的概念,推导出血糖检测极限浓度与光源检测器之间距离和有效仪器信噪比之问的关系.针对不同个体表皮和真皮厚度的差异,用蒙特卡洛方法研究了其对检测极限浓度的影响,讨论了光学测头设计的方案和适应性.结果表明,通过选择合适的光源与检测器之间距离,来自真皮层的有效信号能超过50%;假定仪器信噪比为10 000,可获得满足FDA要求的血糖检测极限浓度.