基于最小二乘法的动态光谱补偿拟合提取.pdf

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1、第34卷，第7期光谱学与光谱分析Vo1．34，No．7，pp1973—19772014年7月SpectroscopyandSpectralAnalysisJuly，2014基于最小二乘法的动态光谱补偿拟合提取林凌，武若楠，李永城，周梅，李刚天津大学精密测量技术及仪器国家重点实验室，天津300072摘要高信噪比的动态光谱(dynamicspectrum，DS)提取是实现高精度动态光谱血液成分无创检测的一个关键。为了进一步提高提取的精度和速度，从原理上分析了各单波长光电容积脉搏波(photoelectri

2、cplethysmography，PPG)的线性相似性，并基于此性质提出了补偿拟合法：首先按照PPG单周期采样点数进行滑动平均得到漂移基线进行补偿，除去基线漂移；其次用各波长对数PPG与全波长叠加平均模板PPG进行最小二乘拟合，提取一次项系数构成DS。利用拟合提取法对近红外和可见光波段各25组PPG数据样本进行DS提取实验验证，并将结果与单沿提取法进行平滑性指标的对比，结果表明：近红外和可见光波段补偿拟合法获取DS的平均方差分别为单沿提取法的77．9和59．5，稳定提高了DS的平滑性；近红外和可见光波

3、段补偿拟合法处理时间分别可以达到单沿提取法的l0和2O，处理速度得到显著改善。补偿拟合法在单沿提取法的基础上稳定提高了DS的信噪比，改善了DS提取质量，缩减了提取时间，并简化了处理步骤，有望推动DS无创血液成分检测的发展。关键词动态光谱(Ds)；血液成分无创检测；补偿拟合提取；光电容积脉搏波(PPG)；最小二乘法中图分类号：TH744．1文献标识码：ADOI：10．3964／j．issru1000-0593(2014)07—1973—05并通过理论分析和实验验证了该方法的有效性口j。引言作者所在的课题

4、组提出了动态光谱血液成分无创检测方法，利用动脉血液充盈、收缩的脉动现象在体无创获取脉动由于传统的有创血液成分检测手段存在痛感和感染风动脉血液吸收光谱，进而分析血液成分，理论上可以消除个险、成本高且效率低等缺点，无创检测成为近年来生物医学体差异，降低对系统的要求和建模难度，提高血液成分的检领域的研究热点，其中基于近红外光谱的无创血液成分检测测精度。课题组提出的一系列提取方法主要分为两大类：频技术由于其快速、高精度、低成本并可实现实时测量多种成域提取法和时域提取法_8]；其中，频域方法需要较长的采样分等优

5、势倍受青睐，是目前最有应用前景的检测手段[1-4]之时间且易受运动伪差的影响，时域方法比频域方法具有更好一。的适应性，对系统要求更低，但处理过程复杂，耗时较长，经过国内外各研究小组数十年的发展，近红外光谱法用仍需要进一步改善。为此，本文基于脉搏波的相似特性提出于离体血液标本的实验已经获得了较高的检测精度，而在体了基于最小二乘法的动态光谱补偿拟合提取方法。测量因个体差异、建模复杂、信号微弱等因素的影响，测量结果精度受到了极大影响。针对这一问题，日本学者Yarna—1原理和方法koshi等借鉴脉搏血氧仪原

6、理搭建了脉搏血糖仪来提取脉动血液的近红外光谱，并利用多种化学计量学方法取得不错的1．1动态光谱基本原理建模效果[sj。丁海泉、陈星旦等提出了光谱相减法，并验证近红外和可见光经过指端衰减后，透射光经光谱仪分光这种方法能够抑制甚至消除组织背景的干扰，有望提高无创可以获得含有脉动动脉血液和其他组织背景信息的PPG信生化检测的精度[6]。徐可欣等基于近红外漫反射光谱的特性号，从PPG中顺序提取各单波长对应脉动动脉血液的吸光提出了浮动基准理论，利用漫反射光下不随葡萄糖浓度变化度或其等价量组成的光谱即为动态光谱。

7、光线传播过程中，的空间特定基准位置或特定基准波长来消除组织背景干扰，可以将由皮肤、皮下组织、静脉血液和非脉动动脉血液衰减收稿日期：2013—09—16。修订日期：2014-01—20基金项目：国家自然科学基金项目(30973964)，天津市应用基础及其前沿技术研究计划项目(1lJCZDJC17100)资助作者简介：林凌，女，1961年生，天津大学精密仪器与光电子工程学院教授e-mail；linling@tju．edu．cn*通讯联系人e-mail：ligang59@tju．edu．cn1974光谱学与

8、光谱分析第34卷后的光看作是脉动动脉血液的入射光，光强为L；经脉动动图1所示。脉血液衰减后得到光强周期变化的出射光，光强为L。，如Fig．1OpticalabsorptionofpulsatingarterialbloodPPG信号中透射光光强的周期变化由脉动动脉血液层分，一定时间内可以看作常数；0．434(∑cL()和厚度的周期变化而产生，根据修正的朗伯比尔定律，可以得到脉动动脉血液吸光度，如式(1)所示。0．434(∑c}f)L(￡)为脉动动脉血液的