1 河北大学 物理科学与技术学院, 保定 071002
2 河北大学 河北省光学感知技术创新中心, 保定 071002
为了解决不同的光学相干层析（OCT）图像预处理方式对皮肤真皮层散射系数计算影响的问题, 提高无创血糖的测量精确度, 提出了一种对OCT图像数据前期处理的最优化方法。在对采集的3维图像数据进行皮肤表面对齐、3维重建、1维平均处理的基础上, 分析了背景噪声和数据是否归一化对血糖预测精度的影响, 并结合临床实验进行了验证。结果表明, 预测误差较预处理之前减小了18.31%。该研究对于提高基于OCT技术的光学无创血糖测量精度具有重要的参考价值。
图像处理 无创血糖检测 光学相干层析 归一化 背景噪声 image processing noninvasive blood glucose detection optical coherence tomography normalize background noise
1 河北大学物理科学与技术学院，河北 保定 071002
2 河北省光学感知技术创新中心，河北 保定 071002
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。
医用光学 光学相干层析成像 补偿算法 无创血糖检测 模板匹配 中国激光
2022, 49(24): 2407201
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
近红外无创血糖检测技术的精度目前仍达不到临床应用的需求, 主要的原因为: 一方面人体血糖信号微弱, 并且血液中一些组分的近红外吸收谱带与葡萄糖的吸收谱带存在重叠, 为了从光谱中解析葡萄糖浓度信息, 通常会采用如偏最小二乘(PLS)等多变量回归的方法。 另一方面, 在实际测量中, 必然会存在光源漂移、 测量条件变化等背景干扰, 这些背景干扰对测量造成的影响往往大于血糖浓度变化引起的光谱响应, 因此在建立血糖预测模型之前必须对这些背景干扰进行有效地控制与消除, 否则使用多变量回归方法所建立的血糖预测模型中很可能存在伪相关。 因此为了更好地实现无创血糖检测, 测量系统本身必须具备很高的血糖检测能力, 并且在控制测量条件尽可能稳定的前提下, 采用合适的数据处理方法去除绝大部分的背景干扰。 为此, 对自行研发的无创血糖检测系统的血糖检测能力进行了评估, 证明了本系统能够达到较高的测量精度; 对三名健康的受试者开展了口服糖耐量试验(OGTT)以及口服水耐量试验(OWTT), 对比了本系统在两个不同光源-探测器距离下测得的OGTT与OWTT的光谱数据, 发现在两个光源-探测器距离下OGTT吸光度变化量的方差值都大于OWTT, 但由于受到背景干扰的影响, 三名受试者的吸光度变化量的方差值随波长的分布特点存在较大的差异; 对两个光源-探测器距离下的光谱数据进行差分处理, 对比分析OGTT与OWTT的差分光谱数据, 结果表明OGTT差分吸光度变化量的方差值远大于OWTT, 且三名受试者的差分吸光度变化量的方差值随波长分布特性与葡萄糖溶液的吸收特性基本一致, 证明使用自行研发的无创血糖检测系统配合差分处理方法, 能够有效去除背景干扰, 提取血糖浓度信息。
无创血糖检测 近红外 极限检测精度 背景干扰 差分处理方法 Non-invasive blood glucose detection Near-infrared Limit of detection precision Background interference Differential processing method 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3438
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
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。
近红外光谱 无创血糖检测 体温校正 外部参数正交化 位置差分 蒙特卡洛模拟 Near infrared spectroscopy Non-invasive measurement Temperature correction External parameters orthogonalization(EPO) Differential correction method Monte Carlo simulation 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1483
山东大学 控制科学与工程学院 生物医学工程系, 山东 济南 250061
连续监测血糖浓度是控制糖尿病及其并发症的前提, 无创伤性血糖浓度检测方法备受关注。近几十年来, 随着测量精度的不断提高, 基于光学的无创伤性血糖浓度检测方法呈现出巨大发展潜力, 有望在未来实现临床应用。本文详细介绍了偏振光旋光法、光学相干断层成像法、红外光谱法等主流光学无创血糖检测方法, 重点对其基本原理、测量优势、测量精度、存在问题与可能解决方法等进行了综述和分析, 对比发现红外光谱法在测量精度方面具有明显优势。最后指出未来还需从提高仪器信噪比、消除背景干扰以及建立更加普适的校正模型等方面展开研究。
无创血糖检测 医用光学 偏振旋光法 光学成像 光谱分析 noninvasive blood glucose detection medical optics polarized optical rotation optical imaging spectral analysis
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室， 天津 300072
近红外光谱的相对测量对实现人体血糖浓度的在体高精度检测具有重要意义。 离体检测中常用的相似背景扣除以及双光路设计等方法不适合人体的复杂背景变化， 而基于位置的参考测量方法被认为是有希望实现在体参考测量的方法之一。 因此课题组提出差动式浮动基准参考测量方法来实现在体的相对测量。 差动式浮动基准参考测量方法是一种具有普适性的参考测量方法， 在实际应用中面临着径向检测距离的确定和差动检测信号中有效信号提取的问题。 在差动式浮动基准参考测量方法的基础上， 提出了基于NAS（net analyte signal）-VIP（variable importance in projection）-SPXY（sample set partitioning based on joint X-Y distances）-PLS（partial least square）的差动浮动基准测量方法， 在离体实验中验证了该方法的可行性。 结果表明经过该方法处理后， 模型的均方根误差明显降低， 相关系数也有了一定的提高。 对该方法在人体实验中的有效性进行了研究， 结果也表明该方法处理后所建模型的精密度和准确性有了明显改善。
近红外光谱 无创血糖检测 差动浮动基准 有效信号 Near-infrared spectroscopy Non-invasive blood glucose sensing Differential floating reference Effective Signal 光谱学与光谱分析
2018, 38(5): 1599
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术及仪器重点实验室, 天津大学, 天津 300072
在近红外无创血糖测量中, 由葡萄糖引起的信号变化十分微弱, 极易受到人体背景、 测量仪器、 周围环境等变化的影响, 限制了无创血糖检测的精度。 针对这个问题, 提出应用浮动基准位置理论进行背景变异的校正。 但是由于个体的差异性与人体环境的复杂多变性, 浮动基准位置会因人而异。 通过对人体手掌三层皮肤模型进行蒙特卡洛模拟, 发现其在1 000～1 700 nm近红外波段的浮动基准位置基本处于距光源径向距离2 mm附近。 为了提高浮动基准位置理论在不同人体之间的适用性, 提出了一种近浮动基准参考测量方法, 即以径向距离2 mm处作为参考位置进行背景干扰的修正, 并通过仿体实验验证其效果。 选取与人体手掌皮肤模型的浮动基准位置较为接近的2%和3%浓度的Intralipid仿体溶液进行实验。 实验结果表明近浮动基准修正法可以消减光源漂移对测量结果的影响, 提高数据的重复性和稳定性; 同时通过对不同葡萄糖含量的2%和3%浓度的Intralipid溶液进行多次漫反射信号采集并建立葡萄糖浓度预测模型, 发现修正后的回归模型的预测均方根误差(RMSEP)分别降低了3851%~7998%和2972%~5222%, 说明该方法能够比较有效地消除两个测量位置处共同的背景干扰, 提高校正模型的预测精度。 仿体实验验证的结果, 为下一步近浮动基准参考测量方法的在体测量提供了有力的支撑。
无创血糖检测 漫反射光 近浮动基准参考测量 背景修正 Non-invasive blood glucose sensing Diffuse reflection light Near floating reference measurement Background calibration 光谱学与光谱分析
2017, 37(6): 1941
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
主要利用二维相关光谱分析方法考察了血液中主要成分、 测量过程中的系统漂移等因素对近红外光谱中的葡萄糖分子特异性的影响。 首先测量了葡萄糖水溶液的近红外透射光谱, 以葡萄糖浓度为外扰, 计算二维相关同步谱及异步谱, 通过对比分析确定了葡萄糖在合频和倍频区域的特征吸收峰位置。 当葡萄糖水溶液中加入少量白蛋白后, 其二维相关谱中葡萄糖的一级倍频吸收峰（1 590 nm)和二级倍频吸收峰（1 195 nm)出现了不同源的现象, 表明白蛋白可能破坏了葡萄糖的特异性; 进一步开展了人体口服葡萄糖耐量实验, 测量了手掌部位的漫反射光谱, 其二维相关谱中葡萄糖的同源性吸收也遭到破坏。 另外, 由于葡萄糖浓度变化引起的光谱变异信息较小, 很容易被系统漂移掩盖, 一般需要进行背景修正。 在葡萄糖水溶液的透射实验和人体漫反射实验中, 分别引入纯水样本和5%标准漫反射板作为参考, 以时间为扰动的二维相关光谱分析的结果表明, 经过参考样本的背景校正后, 系统漂移在二维同步切线谱中引起的谱峰偏移变小, 葡萄糖的特征吸收被增强。 因此, 在近红外光谱无创血糖检测中, 应尽量避开与葡萄糖特征吸收不同源的波段, 并有必要采取一定的参考测量方法以提高检测的特异性。
二维相关 无创血糖检测 近红外光谱 特异性 系统漂移 Two-dimensional correlation Noninvasive blood glucose sensing Near-infrared spectroscopy Specificity Systematic drift
哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
针对近红外无创血糖检测过程中噪声对血糖浓度模型精度和稳定性的影响, 提出用自适应噪声总体集合经验模态分解方法实现近红外光谱信号的去噪; 同时, 根据原始信号曲率和分解后本征模态函数(IMFs)曲率间的离散弗雷歇距离选择相关模态。首先, 将自适应噪声的总体集合经验模态分解方法引入近红外光谱去噪过程, 介绍了经验模态分解、集合经验模态分解、互补集合经验模态分解及自适应噪声总体集合经验模态分解的基本原理及具体实现过程。然后, 应用基于曲率和离散弗雷歇距离的自适应噪声总体集合经验模态分解改进算法对仿真信号和光谱信号进行去噪, 并将其标准差和信噪比作为评价指标。实验结果表明: 应用提出的方法得到的血糖浓度近红外光谱数据其标准差为0.179 4, 信噪比为19.117 5 dB, 实现了信号与噪声的分离, 改善了重构信号质量, 具有良好的自适应性, 可以有效识别并提取有用信息。
无创血糖检测 近红外光谱 信号去噪 自适应噪声总体集合经验模态分解 曲率 离散弗雷歇距离 non-invasive blood glucose detection near infrared spectroscopy signal denoising Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition wit curvature discrete Frechet distance
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室， 天津 300072
提出了基于浮动基准位置的参考测量方法，有望实现血糖浓度的在体相对测量。基于定态漫射方程在半无限介质中的解析解，分析了浮动基准位置满足的函数关系式；基于Monte Carlo模拟方法，考察了三层皮肤模型在1000~1400 nm波段内浮动基准位置的分布情况，同时分析了吸收系数和散射系数、表皮层和真皮层厚度对浮动基准位置的影响；搭建了基于超辐射发光二极管光源的多环光纤束检测系统，初步验证了浮动基准位置在人体中的存在性。模拟结果表明，三层皮肤模型在1000~1400 nm波段内存在浮动基准位置且具有波长特性，散射系数变化对基准位置的影响大于吸收系数，表皮层厚度差异的影响大于真皮层。三位志愿者的在体实验表明，人体手掌在1050、1219、1314 nm处均存在浮动基准位置，位于径向检测距离1.25~1.75 mm之间，实验结果小于模拟结果，最大偏差达0.75 mm。该结果对指导浮动基准测量光纤探头的设计具有一定参考价值。
光谱学 近红外光谱 人体浮动基准位置 浮动基准法 无创血糖检测
