提高動(dòng)態(tài)光譜信噪比的方法及應(yīng)用.pdf

1、血液成分的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，不僅對(duì)各種疾病的診斷，糖尿病、貧血等慢性疾病的管理，圍手術(shù)期或急診患者的監(jiān)護(hù)具有重要意義，還可以實(shí)現(xiàn)疾病的早期篩查，節(jié)省醫(yī)療資源，促進(jìn)環(huán)保。研究無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)可以推動(dòng)無(wú)創(chuàng)生物醫(yī)學(xué)信息傳感、微弱信號(hào)檢測(cè)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)以及臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展。光譜技術(shù)以其過(guò)程便捷、無(wú)痛無(wú)創(chuàng)、以及原理上高速、高精度、信息多維化等優(yōu)點(diǎn)，成為最具應(yīng)用前景的檢測(cè)手段。在體光譜檢測(cè)，滿足安全性、舒適性的基礎(chǔ)上，不僅要面臨著信號(hào)微弱、光譜重疊、漂移等因素的

2、影響，還需要克服個(gè)體差異、測(cè)量條件、被測(cè)者心理狀態(tài)變化等不確定因素的影響。因此，提高信噪比是實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)的首要目標(biāo)。動(dòng)態(tài)光譜方法，基于透射的光電容積脈搏波，利用動(dòng)脈充盈程度對(duì)光譜吸收的改變來(lái)直接提取多個(gè)波長(zhǎng)下反映動(dòng)脈血液成分的光密度，從理論上降低了個(gè)體差異和測(cè)量條件的影響，相比其他方法具有顯著的優(yōu)勢(shì)。
　　本文首先介紹了動(dòng)態(tài)光譜的基本原理，在考慮組織特性的基礎(chǔ)上通過(guò)蒙特卡羅仿真（Monte Carlo, MC）獲取不同血紅

3、蛋白濃度下的動(dòng)態(tài)光譜值，并計(jì)算與血紅蛋白濃度的相關(guān)系數(shù)，從而驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)光譜方法的可行性；其次通過(guò)搭建的基于光柵光譜儀與溴鎢燈的測(cè)量系統(tǒng)采集實(shí)際臨床數(shù)據(jù)，通過(guò)偏最小二乘方法建立校正模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)光譜方法用于無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)的可行性。但測(cè)量精度還有待提高，需要進(jìn)一步提高信號(hào)檢測(cè)與處理中的信噪比，論文主要從以下四個(gè)方面進(jìn)行。
　　從信號(hào)傳感的角度提高信噪比。對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)MC仿真比較窄平圓光束、寬平圓光束以及寬光

4、纖光束這三種光照條件下動(dòng)態(tài)光譜的差異，進(jìn)而分析由光照方式引入光路徑差異對(duì)動(dòng)態(tài)光譜的影響，在此基礎(chǔ)上獲取兩種實(shí)際光源（溴鎢燈與超連續(xù)激光器）下的動(dòng)態(tài)光譜，驗(yàn)證了仿真結(jié)果，即系統(tǒng)中使用細(xì)光束更有利于提高光電容積脈搏波的靈敏度。對(duì)于數(shù)據(jù)采集方式，提出動(dòng)態(tài)光譜優(yōu)化采集方法“雙采樣”，與傳統(tǒng)方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙采樣方法增加了采集數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍，顯著提高動(dòng)態(tài)光譜的信噪比，拓寬了光譜采集的波段。
　　從動(dòng)態(tài)光譜提取的過(guò)程中提高信噪比。通過(guò)理

5、論與實(shí)際提取效果，對(duì)比分析頻域提取法與單沿提取法，結(jié)果驗(yàn)證了兩種方法的一致性與可行性，以及單沿法在去除脈搏波片段干擾的優(yōu)勢(shì)?；诖?，結(jié)合兩種方法的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提出一種基于快速數(shù)字鎖相算法的提取方法，通過(guò)將信號(hào)分段利用快速的數(shù)字鎖相算法實(shí)時(shí)提取片段動(dòng)態(tài)光譜，在大幅度降低了計(jì)算量的同時(shí)，更有助于剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，提高動(dòng)態(tài)光譜的精度。仿真與實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證了方法的可行性，評(píng)估了該方法在提取速度與精度上的優(yōu)勢(shì)。
　　從信號(hào)處理與建模的角

6、度提高信噪比。對(duì)于散射的影響，通過(guò)三種模型的MC仿真分析其影響方式與程度。對(duì)于光譜分析，提出用于研究光譜分析內(nèi)在機(jī)制的編碼方法，并通過(guò)構(gòu)造三種組分混合物質(zhì)的光譜進(jìn)行建模分析闡述方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。結(jié)果表明，編碼方法能夠用來(lái)分析不同組分吸光度大小關(guān)系對(duì)光譜分析的影響規(guī)律與影響程度，有助于波段優(yōu)選，準(zhǔn)確地把握建模方法的內(nèi)在原理。此外，分析水的吸收峰對(duì)血紅蛋白含量檢測(cè)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明建模時(shí)使用的波段覆蓋主要的非測(cè)量成分吸收峰時(shí)能夠提高建模的精

7、度，為降低非目標(biāo)組分的影響、優(yōu)選波段提供了參考。
　　設(shè)計(jì)了基于LED和DSP的便攜式測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用光調(diào)制技術(shù)，利用結(jié)合過(guò)采樣的快速數(shù)字鎖相算法實(shí)現(xiàn)八通道光電容積脈搏波的同步高精度測(cè)量，簡(jiǎn)化了外部硬件電路，使得系統(tǒng)更加靈活，便于小型化與低成本化。文中對(duì)所采用的結(jié)合過(guò)采樣的快速鎖相算法進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性，評(píng)估其在微弱信號(hào)檢測(cè)中的性能。同時(shí)，將這種快速高精度算法推廣到一般多通道傳感測(cè)量中，并