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中红外ATR光谱法血糖检测实验与数据处理

作　者: 陈露诗
导　师: 曹玉珍
学　校: 天津大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 中红外光谱 衰减全反射 血糖检测 最小二乘法 人工神经网络
分类号: R318.51
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 114次
引　用: 1次
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内容摘要


血糖浓度检测是预防和治疗糖尿病的关键,中红外ATR光谱法不仅可以克服现有的有创检测方法耗材多、给病人带来生理和心理疼痛的缺点,同时也是一种极有潜力的无创血糖检测手段。本文基于衰减全反射原理,对葡萄糖在中红外波段的光谱吸收特性进行研究,得到葡萄糖在中红外主要吸收波段(900~1200 cm-1)的吸收特征峰位置和相应的吸收强度,在此基础上开展了连续中红外ATR光谱法和离散中红外ATR光谱法血糖浓度检测实验,并对各种预处理和数据建模方法进行了对比研究。具体工作包括:(1)实验方法研究:首先对实验条件,如手指与ATR附件的接触压力和位置等进行了研究,论证了连续中红外ATR光谱法测量血糖的可行性。另外,利用角鲨烷油改变手指皮肤湿润度的特性,研究了随抹油时间变化的手指ATR光谱和血糖值的相关性实验。此外,还采用以波长可调谐CO2激光器为光源的ATR光谱法对葡萄糖在中红外波段的几个特征吸收峰进行了专门研究。(2)数据预处理方法研究:通过比较多种数据预处理方法,最终选定用奇异值剔除、内标校正、归一化、小波平滑消噪等方法对原始光谱进行预处理,以增强手指ATR中红外吸收光谱与血糖浓度之间的相关性。(3)数据建模方法研究:分别用PLS和ANN神经网络的方法对光谱数据建模,数据相关性由0.67提高到0.95,PLS模型的RMSEP值由17.6894 mg/dl减小到11.2287 mg/dl,ANN模型的RMSEP值由3.1339 mg/dl减小为1.8961 mg/dl。当只用葡萄糖特征峰建模时模型预测能力比用全波段建模预测能力强,当数据非线性严重时ANN算法比PLS算法预测能力强。通过对多种初始光谱预处理方法的比较研究和两种预测模型的建立,结果提高了预测精度,对实现无创血糖的测量有一定的价值。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-13
  1.1 研究的目的和意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-10
  1.3 中红外光谱分析技术尚存在的问题  10-11
  1.4 本文的主要研究内容  11-13
第二章 中红外血糖检测技术与实验系统  13-17
  2.1 衰减全反射光谱法  13-14
  2.2 基于FT-IR 光谱仪的实验系统  14-15
  2.3 基于中红外CO_2 激光器的实验系统  15-17
第三章 光谱数据预处理与建模方法  17-31
  3.1 光谱分析法  17-19
  3.2 数据预处理方法  19-23
    3.2.1 奇异点剔除  19-20
    3.2.2 归一化处理  20
    3.2.3 偏移扣减处理  20-21
    3.2.4 微分法校正  21
    3.2.5 峰值内标法校准  21-22
    3.2.6 平滑与消噪  22-23
  3.3 多元数据分析方法  23-29
    3.3.1 多元线性回归（MLR）  23-24
    3.3.2 主成分分析（PCA）  24-26
    3.3.3 主成分回归（PCR）  26
    3.3.4 偏最小二乘法（PLS）  26-28
    3.3.5 人工神经网络法（ANN）  28-29
  3.4 校正模型评价指标  29-31
第四章 基于连续中红外光谱的血糖浓度检测实验研究  31-58
  4.1 实验条件的研究  31-38
    4.1.1 压力对光谱的影响  31-34
    4.1.2 位置对光谱的影响  34-35
    4.1.3 皮肤对光谱的影响  35-38
    4.1.4 测量再现性评价  38
  4.2 手指血糖浓度与ATR 光谱的相关性实验  38-45
    4.2.1 实验准备与数据预处理  39-41
    4.2.2 数据建模分析  41-45
  4.3 超声去角质实验  45-46
  4.4 角鲨烷油实验  46-55
    4.4.1 实验原理  46-48
    4.4.2 数学模型与数据处理  48-54
    4.4.3 实验结果分析  54-55
  4.5 模型适用能力验证  55-57
  4.6 本章小结  57-58
第五章 基于离散光谱的葡萄糖浓度检测实验研究  58-64
  5.1 葡萄糖水溶液吸收光谱基础实验  58-60
    5.1.1 特征峰位置  58-59
    5.1.2 相对吸收度  59-60
  5.2 单波长葡萄糖水溶液测量实验  60-63
    5.2.1 奇异值剔除  60-61
    5.2.2 各峰吸收特性  61-62
    5.2.3 单光路光源稳定性影响  62-63
  5.3 本章小结  63-64
第六章 总结与展望  64-66
  6.1 总结  64-65
  6.2 展望  65-66
参考文献  66-70
发表论文和参加科研情况说明  70-71
致谢  71

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中图分类: > 医药、卫生 > 基础医学 > 医用一般科学 > 生物医学工程 > 生物医学工程的其他分支 > 光、激光生物医学
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