提高動態(tài)光譜信噪比的方法及應(yīng)用.pdf

1、血液成分的無創(chuàng)檢測，不僅對各種疾病的診斷，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。研究無創(chuàng)血液成分檢測可以推動無創(chuàng)生物醫(yī)學(xué)信息傳感、微弱信號檢測、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)以及臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展。光譜技術(shù)以其過程便捷、無痛無創(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)用前景的檢測手段。在體光譜檢測，滿足安全性、舒適性的基礎(chǔ)上，不僅要面臨著信號微弱、光譜重疊、漂移等因素的

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

3、蛋白濃度下的動態(tài)光譜值，并計算與血紅蛋白濃度的相關(guān)系數(shù)，從而驗(yàn)證了動態(tài)光譜方法的可行性；其次通過搭建的基于光柵光譜儀與溴鎢燈的測量系統(tǒng)采集實(shí)際臨床數(shù)據(jù)，通過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)證了動態(tài)光譜方法用于無創(chuàng)血液成分檢測的可行性。但測量精度還有待提高，需要進(jìn)一步提高信號檢測與處理中的信噪比，論文主要從以下四個方面進(jìn)行。
　　從信號傳感的角度提高信噪比。對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過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動態(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。對于數(shù)據(jù)采集方式，提出動態(tài)光譜優(yōu)化采集方法“雙采樣”，與傳統(tǒng)方法對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙采樣方法增加了采集數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍，顯著提高動態(tài)光譜的信噪比，拓寬了光譜采集的波段。
　　從動態(tài)光譜提取的過程中提高信噪比。通過理

5、論與實(shí)際提取效果，對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?；诖?，結(jié)合兩種方法的優(yōu)勢，進(jìn)一步提出一種基于快速數(shù)字鎖相算法的提取方法，通過將信號分段利用快速的數(shù)字鎖相算法實(shí)時提取片段動態(tài)光譜，在大幅度降低了計算量的同時，更有助于剔除無效數(shù)據(jù)，提高動態(tài)光譜的精度。仿真與實(shí)際測量實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證了方法的可行性，評估了該方法在提取速度與精度上的優(yōu)勢。
　　從信號處理與建模的角

6、度提高信噪比。對于散射的影響，通過三種模型的MC仿真分析其影響方式與程度。對于光譜分析，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)過程。結(jié)果表明，編碼方法能夠用來分析不同組分吸光度大小關(guān)系對光譜分析的影響規(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，分析水的吸收峰對血紅蛋白含量檢測的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明建模時使用的波段覆蓋主要的非測量成分吸收峰時能夠提高建模的精

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)計了基于LED和DSP的便攜式測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用光調(diào)制技術(shù)，利用結(jié)合過采樣的快速數(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量，簡化了外部硬件電路，使得系統(tǒng)更加靈活，便于小型化與低成本化。文中對所采用的結(jié)合過采樣的快速鎖相算法進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，通過仿真與實(shí)測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性，評估其在微弱信號檢測中的性能。同時，將這種快速高精度算法推廣到一般多通道傳感測量中，并