人体近红外光谱测量中接触压力影响的研究

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1、人体近红外光谱测量中接触压力影响的研究StudyontheInfluenceoftheContactPressureinNearInfraredSpectroscopicMeasurementAppliedonHuman学科专业：生物医学工程研究生：李思指导教师：蒋景英副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十二月摘要目前，糖尿病已经成为严重威胁大众健康的慢性病，糖尿病病情控制的关键是对血糖浓度进行连续测量，而传统的取血化验方法具有痛苦大，感染风险高等缺点。近红外光谱检测技术具有快速、无创、信息量大等优点，被视为最有潜力的无创血糖检测方法。为了提高测量的稳定性，近红外光谱检测常采用

2、光纤测头与人体皮肤组织相接触的测量方法。接触式测量会引起皮肤组织形变，从而影响光谱测量结果。为了优化接触式测量方法，本文从理论模拟与人体实验两个方面，研究了光纤测头压力对耳垂漫反射和透射光谱的影响，在此基础上提出了利用接触压力低敏感范围的优化测量方案，为人体血糖近红外光谱测量提供了参考。首先，针对人体血糖测量要求，选取耳垂作为测量部位，研究了耳垂组织光学参数及力学特性。基于皮肤组织固液两相的力学特性，研究了在不同接触压力下皮肤组织的形变规律，同时，在一定假设条件下，推导了接触压力与吸收系数、散射系数变化之间的定量关系。其次，基于耳垂皮肤组织的解剖结构特性，建立了五层皮肤组织模型，通过有限元

3、模拟计算得出各层结构随接触压力的变化，在此基础上，利用蒙特卡罗模型进行扩散反射和透射光谱变化模拟，分析了接触压力对近红外光谱的影响机理。然后利用自行搭建的近红外透反光谱系统进行实验验证，分别比较了不同接触压力下的耳垂组织透射及扩散反射光谱，并与模拟结果相对比，验证了压力作用下扩散反射与透射光谱变化规律，随着光纤测头与皮肤组织之间接触压力的增加，扩散反射光谱能量逐渐减小，而扩散透射光强逐渐增加。最后，在模拟和实验结果分析接触压力对光谱影响的基础上，研究了优化接触式光谱测量方案，从而提高近红外光谱检测的精度和稳定性。根据模拟与实验结果，当接触压力在15-20kpa以内，光谱测量结果变化较小，有

4、利于保证光谱建模精度。关键词：近红外光谱，无创血糖测量，接触压力，有限元模拟，蒙特卡罗模拟IABSTRACTDiabetes,asachronicdisease,hasbecomeaseriousthreattothepublichealth.Tocontroldiabetes,certaincontinuousmeasurementsofbloodglucoselevelsareutilized,howeverthetraditionalmethodofbloodsamplinghasthedisadvantagesofgreatpainandhighriskofinfection.Ne

5、ar-infraredspectroscopyemergedasthemostpromisingbloodglucosedetectionmethodbecauseofitsspeedinessnoninvasiveexamination,plentifulinformationandsoon.Inordertoimprovethemeasurementstability,near-infraredspectroscopyoftenusedthemethodthatmakinganopticalfiberprobecontactwithhumanskintissue.Nevertheles

6、s,theskintissuewilldeformduringthecontactmeasurement,affectingthespectralmeasurementresults.Forpurposeofoptimizingthecontactmeasurementmethod,thispaperstudiestheeffectoffiberprobepressureonearlobediffusionandtransmissionspectrafromtheoreticalmodelsimulationandhumanexperimentverification.Andonthisb

7、ase,thispaperproposesasolutionthatutilizingthelowsensitivityrangeofcontactpressurewhichprovidesareferenceforthemeasurementofhumanbloodglucosenear-infraredspectroscopy.Firstly,thispaperselectedearlobeasthemeasurem