光学无创血糖检测技术研究

发布时间：2018-02-25 23:10

本文关键词： 无创血糖检测光学偏振测量双调制角膜双折射多元线性回归算法　出处：《电子科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：血糖检测仪是糖尿病患者检测血糖的主要工具,但目前存在的血糖检测仪多是有创的,存在患者的顺从性差和限制血糖监测频率的主要缺点。因此,研发无创检测仪具有重要的意义。最近三十年,许多大学和公司试图探索各种无创检测血糖浓度的方法,包括光谱法以及光学相干断层扫描法等。光学偏振法被认为是一种具有潜在应用价值的无创检测方法,通过检测眼前房水中的葡萄糖浓度来确定人体血糖水平,其基本原理是：当线偏振光通过房水后,其偏振方向发生旋转,旋转角与前房水内的葡萄糖浓度成正比,且房水内的葡萄糖糖浓度与血糖浓度具有相关性,因此,可确定血糖浓度。目前,偏振法实现的首要限制因素是眼伪运动引起的时变双折射,时变双折射是双波长系统的共同噪声源,为了减少其影响,前辈采用实时反馈方法,提出闭环双波长偏振系统,该系统中主要缺点为：响应时间较慢,不利于降低噪声；结构复杂,配置两个光电探测器以区分不同波长的光信号和存在电磁干扰和1/f噪声。本论文针对目前双波长偏振检测系统存在的问题,主要进行了如下研究工作：首先,提出双调制偏振测量方法。双调制是激光强度调制(fc)结合同步的法拉第偏振调制(fm),该方法提高了锁相放大器检测信号的频率(从fm提高到fc±fm),从而减小系统的响应时间。基于光学元器件归一化琼斯矩阵,理论推导了探测光强度表达式,得出fc±fm的边频信号强度大小随旋转角φ线性变化,φ与血糖浓度满足正比关系。由数字锁相放大器检测携带有用信息φ的边频信号,输出与边频信号强度成正比的直流电压,经PID(比例-积分-微分)控制器输出补偿电压,用于驱动法拉第补偿器抵消血糖引起φ变化,补偿电压与血糖浓度满足线性关系,从而得到血糖浓度。其次,采用实时闭环反馈法,设计、构建和测试了双调制单波长偏振无创血糖测量系统。系统的响应时间由补偿电压的上升时间来确定,补偿电压达到稳定所需时间小于10ms,相比于报道的实时、闭环双波长偏振系统提高了近30倍,结果表明,双调制具有减少系统响应时间的能力。对变化范围为0-600mg/dl、间隔为100mg/dl的葡萄糖溶液浓度进行测量实验,葡萄糖检测浓度与实际浓度具有很高的线性度,相关系数超过0.9979,测量的标准误差小于10mg/dl。偏转角的测量精度优于0.4×10-3度,达到了所报道的精度,实验结果表明,双调制偏振测量具有优势。再次,为了减轻伪运动引起的时变双折射的影响,设计、构建及测试了双调制双波长偏振无创血糖检测系统。双调制使该系统所需的探测器数量减为1,结合优化的PID(比例-积分-微分)控制器参数,相比于先前的实时、闭环双波长偏振系统,降低了系统的复杂性和提高了响应速度。在静止状态即无双折射存在和运动状态即双折射存在的情况下,对葡萄糖溶液浓度进行测量,在静止状态下,利用多元线性回归分析法,相关系数超过0.9996,三次测量的标准误差分别为4.26mg/dl、4.43mg/dl和5.63mg/dl;在运动情况下,单波长偏振系统无法预测葡萄糖浓度,这是由于双折射对信号变化有影响,然而,利用双波长得到的信息和多元线性回归算法,可补偿由双折射引起的定量信号变化,标准误差为13.0mg/dl、 13.7mg/dl和13.9mg.dl,因而,双调制、双波长偏振系统可弥补眼运动引起的较小变化。另外,激光由交流信号驱动发光同时结合法拉第偏振矢量调制,可减小电磁干扰和1/f噪声,有提高系统信噪比的潜力。最后,由于实际角膜双折射产生的生理噪声与试管情况下不同,在眼耦合装置的帮助下对眼模型内的葡萄糖浓度进行测量研究。装置基于光反射原理,用来耦合通过人造眼前房室的光,使光沿直线通过前房室,减少双折射效应。眼模型实验测量标准误差为18.9mg/dl和15.2mg,与Malik的活体实验误差22.4mg/dl相比,提高了测量精度,结果表明,双调制、双波长偏振系统有通过前房水来无创检测血糖的潜力。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH776;O436.3

【参考文献】