本文關(guān)鍵詞： 無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè) 光學(xué)偏振測(cè)量 雙調(diào)制 角膜雙折射 多元線性回歸算法　出處：《電子科技大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：血糖檢測(cè)儀是糖尿病患者檢測(cè)血糖的主要工具,但目前存在的血糖檢測(cè)儀多是有創(chuàng)的,存在患者的順從性差和限制血糖監(jiān)測(cè)頻率的主要缺點(diǎn)。因此,研發(fā)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)儀具有重要的意義。最近三十年,許多大學(xué)和公司試圖探索各種無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血糖濃度的方法,包括光譜法以及光學(xué)相干斷層掃描法等。光學(xué)偏振法被認(rèn)為是一種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法,通過(guò)檢測(cè)眼前房水中的葡萄糖濃度來(lái)確定人體血糖水平,其基本原理是：當(dāng)線偏振光通過(guò)房水后,其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角與前房水內(nèi)的葡萄糖濃度成正比,且房水內(nèi)的葡萄糖糖濃度與血糖濃度具有相關(guān)性,因此,可確定血糖濃度。目前,偏振法實(shí)現(xiàn)的首要限制因素是眼偽運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)變雙折射,時(shí)變雙折射是雙波長(zhǎng)系統(tǒng)的共同噪聲源,為了減少其影響,前輩采用實(shí)時(shí)反饋方法,提出閉環(huán)雙波長(zhǎng)偏振系統(tǒng),該系統(tǒng)中主要缺點(diǎn)為：響應(yīng)時(shí)間較慢,不利于降低噪聲；結(jié)構(gòu)復(fù)雜,配置兩個(gè)光電探測(cè)器以區(qū)分不同波長(zhǎng)的光信號(hào)和存在電磁干擾和1/f噪聲。本論文針對(duì)目前雙波長(zhǎng)偏振檢測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題,主要進(jìn)行了如下研究工作：首先,提出雙調(diào)制偏振測(cè)量方法。雙調(diào)制是激光強(qiáng)度調(diào)制(fc)結(jié)合同步的法拉第偏振調(diào)制(fm),該方法提高了鎖相放大器檢測(cè)信號(hào)的頻率(從fm提高到fc±fm),從而減小系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。基于光學(xué)元器件歸一化瓊斯矩陣,理論推導(dǎo)了探測(cè)光強(qiáng)度表達(dá)式,得出fc±fm的邊頻信號(hào)強(qiáng)度大小隨旋轉(zhuǎn)角φ線性變化,φ與血糖濃度滿足正比關(guān)系。由數(shù)字鎖相放大器檢測(cè)攜帶有用信息φ的邊頻信號(hào),輸出與邊頻信號(hào)強(qiáng)度成正比的直流電壓,經(jīng)PID(比例-積分-微分)控制器輸出補(bǔ)償電壓,用于驅(qū)動(dòng)法拉第補(bǔ)償器抵消血糖引起φ變化,補(bǔ)償電壓與血糖濃度滿足線性關(guān)系,從而得到血糖濃度。其次,采用實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋法,設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試了雙調(diào)制單波長(zhǎng)偏振無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間由補(bǔ)償電壓的上升時(shí)間來(lái)確定,補(bǔ)償電壓達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間小于10ms,相比于報(bào)道的實(shí)時(shí)、閉環(huán)雙波長(zhǎng)偏振系統(tǒng)提高了近30倍,結(jié)果表明,雙調(diào)制具有減少系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的能力。對(duì)變化范圍為0-600mg/dl、間隔為100mg/dl的葡萄糖溶液濃度進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn),葡萄糖檢測(cè)濃度與實(shí)際濃度具有很高的線性度,相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.9979,測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差小于10mg/dl。偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量精度優(yōu)于0.4×10-3度,達(dá)到了所報(bào)道的精度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雙調(diào)制偏振測(cè)量具有優(yōu)勢(shì)。再次,為了減輕偽運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)變雙折射的影響,設(shè)計(jì)、構(gòu)建及測(cè)試了雙調(diào)制雙波長(zhǎng)偏振無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)系統(tǒng)。雙調(diào)制使該系統(tǒng)所需的探測(cè)器數(shù)量減為1,結(jié)合優(yōu)化的PID(比例-積分-微分)控制器參數(shù),相比于先前的實(shí)時(shí)、閉環(huán)雙波長(zhǎng)偏振系統(tǒng),降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和提高了響應(yīng)速度。在靜止?fàn)顟B(tài)即無(wú)雙折射存在和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即雙折射存在的情況下,對(duì)葡萄糖溶液濃度進(jìn)行測(cè)量,在靜止?fàn)顟B(tài)下,利用多元線性回歸分析法,相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.9996,三次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為4.26mg/dl、4.43mg/dl和5.63mg/dl;在運(yùn)動(dòng)情況下,單波長(zhǎng)偏振系統(tǒng)無(wú)法預(yù)測(cè)葡萄糖濃度,這是由于雙折射對(duì)信號(hào)變化有影響,然而,利用雙波長(zhǎng)得到的信息和多元線性回歸算法,可補(bǔ)償由雙折射引起的定量信號(hào)變化,標(biāo)準(zhǔn)誤差為13.0mg/dl、 13.7mg/dl和13.9mg.dl,因而,雙調(diào)制、雙波長(zhǎng)偏振系統(tǒng)可彌補(bǔ)眼運(yùn)動(dòng)引起的較小變化。另外,激光由交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光同時(shí)結(jié)合法拉第偏振矢量調(diào)制,可減小電磁干擾和1/f噪聲,有提高系統(tǒng)信噪比的潛力。最后,由于實(shí)際角膜雙折射產(chǎn)生的生理噪聲與試管情況下不同,在眼耦合裝置的幫助下對(duì)眼模型內(nèi)的葡萄糖濃度進(jìn)行測(cè)量研究。裝置基于光反射原理,用來(lái)耦合通過(guò)人造眼前房室的光,使光沿直線通過(guò)前房室,減少雙折射效應(yīng)。眼模型實(shí)驗(yàn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差為18.9mg/dl和15.2mg,與Malik的活體實(shí)驗(yàn)誤差22.4mg/dl相比,提高了測(cè)量精度,結(jié)果表明,雙調(diào)制、雙波長(zhǎng)偏振系統(tǒng)有通過(guò)前房水來(lái)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血糖的潛力。
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【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH776;O436.3

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王洪;吳寶明;劉丁;;基于正交雙偏振光的無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)方法及初步實(shí)驗(yàn)研究[J];生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志;2010年02期

2 徐蘭青;李暉;謝樹(shù)森;;手性介質(zhì)中后向散射米勒矩陣特性及其在血糖無(wú)創(chuàng)檢測(cè)中的應(yīng)用初探[J];物理學(xué)報(bào);2008年09期

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本文編號(hào)：1535537