近红外无创漫反射检测——测量条件保证方法及实验研究

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1、天津大学博士学位论文近红外无创漫反射检测——测量条件保证方法及实验研究MethodandExperimentstoMaintainMeasurementConditionofNon-invasiveSensingbyNear-InfraredDiffuseReflectance（申请博士学位）一级学科：仪器科学与技术学科专业：仪器科学与技术作者姓名：于旭耀指导教师：徐可欣教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年五月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经

2、发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据中

3、文摘要近红外无创漫反射检测易受检测系统漂移、探头与被测组织之间接触压力、热传递等干扰，导致在体测量所得光强信号的准确性和稳定性较差。本文从测量条件的角度出发，建立了评估上述三个因素对在体测量影响的物理模型，提出了相应的保证测量条件的解决方案，并进行了实验验证。首先，基于高斯分布函数建立了采用标准漫反射板进行参考测量时漫反射光强的物理模型，定量分析了标准漫反射板的表面粗糙度、定位精度、表面受辐照面积以及标准板与探头之间距离等参数对漫反射光强的影响，确立了近红外无创漫反射参考测量系统的优化方案，并进行了方案有效性的实验验证。其次，基于皮肤组织固液两相的力学特性，推导了光

4、纤探头作用于被测皮肤组织上的接触压力与组织厚度应变量、组织内部水含量及组织光学参数之间的定量关系；采用蒙特卡洛模拟分析了接触压力对组织漫反射光强的影响机理；通过在体实验验证了接触压力与皮肤组织厚度应变量的线性关系；基于二维相关光谱结合雷达图建立了判断探头与组织接触状态的方法，实现了组织厚度应变量与接触压力之间的转换，验证了接触压力对漫反射光强影响的理论分析结果的正确性；进一步，确定了接触测量中的压力低敏感范围，并进行了在体实验验证。再次，建立了与光纤探头接触后皮肤组织表面温度变化的简化计算公式；通过理论分析及在体实验，定量评估了光纤保护材料和表面初始温度对接触后组织

5、表面温度变化过程的影响；提出了采用不锈钢作为探头保护材料并预热至32℃的解决方案，该方案能够减小探头接触对组织温度的影响，缩短接触后组织的热平衡时间；根据在体实验结果，确定了近红外无创漫反射检测的光纤探头表面最适预热温度及探头接触后的最佳测量时间窗口期，并通过在体实验进行了验证。最后，设计并搭建了保证以上测量条件的控制装置，并开展了无创血糖检测临床实验，建立了漫反射光谱与血糖浓度之间的校正模型。实验结果表明，采用测量条件控制装置后，血糖浓度的预测值与真实值之间的相关系数大于0.89，预测均方根误差小于1mmol/L。这表明，本文提出的测量条件保证方案有助于提升近红外

6、无创漫反射接触测量的测量精度。关键词：近红外；无创检测；参考测量；接触压力；温度万方数据ABSTRACTAsnon-invasivesensingbynear-infrared(NIR)diffusereflectanceiseasilytobedisturbedbytheinterfererssuchasthemeasurementsystemdrift,contactpressureandthermaltransmissionbetweentheprobeandtheskintissue,therepeatabilityofmeasurementinvivois

7、poor.Inthisthesis,fromtheprospectiveofmeasurementcondition,thephysicalmodelstoevaluatetheinfluenceofthesefactorsontheNIRdiffusereflectanceinvivowasestablished;andthesolutiontomaintainthemeasurementconditionwasproposedandvalidatedbyexperiments.Firstly,consideringthesurfaceofthestandar