專利名稱：人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療檢測設(shè)備，尤其涉及一種人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀及檢測方法。
背景技術(shù)：
血液生化參數(shù)，如血糖、甘油三酯、總膽固醇、總蛋白含量等是反映人體健康狀況 的重要指標(biāo)?，F(xiàn)有檢測人體血液生化參數(shù)的設(shè)備，通常需要刺破待檢者的血管采集血樣，然 后對血樣進(jìn)行化驗(yàn)分析，從而得出生化指標(biāo)的數(shù)值。由于這種檢測方式會給被檢者造成疼 痛和可能造成感染的潛在危險，并且取得檢測結(jié)果需要等待一定時間，不能當(dāng)時就取得檢 測結(jié)果，因此，實(shí)時性較差。所以現(xiàn)在發(fā)展出了采用近紅外光譜分析法對人體血液生化參數(shù) 進(jìn)行無創(chuàng)檢測的技術(shù)，相比較而言，無創(chuàng)檢測技術(shù)具有很大優(yōu)勢，如，被測者安全、無痛、檢 測結(jié)果快速可得等。但在無創(chuàng)檢測血液生化參數(shù)的過程中，存在檢測結(jié)果易受諸多外部因 素，如，測量壓力、測量溫度以及所獲得的光譜中冗余信息等的干擾，從而導(dǎo)致測量精度和 可靠性低的不足。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種人體血液生化參數(shù)的無創(chuàng)檢測儀及檢 測方法，利用近紅外光譜能夠穿透皮膚和人體組織，及人體血液生化成分含量與其近紅外 吸收有很好的相關(guān)性的原理，對人體各項(xiàng)血液生化參數(shù)進(jìn)行無創(chuàng)檢測，通過消除測量過程 中的壓力與溫度等不利影響并降低計算復(fù)雜度，以提高檢測速度和提高人體血液生化參數(shù) 測量結(jié)果的精度和可靠性。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀，包括顯示單元，該無創(chuàng)檢測儀進(jìn)一步包括夾 具單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元其中，夾具單元，用于夾持和固定人體的被測試部位，通過調(diào)節(jié)夾具單元以達(dá)到最佳測 量壓力值；數(shù)據(jù)采集單元，用于采集被測部位的近紅外光譜值和溫度信號，然后將溫度信號 和所述光譜值傳送至微處理單元進(jìn)行進(jìn)一步處理；以及數(shù)據(jù)處理單元，用于實(shí)現(xiàn)檢測過程中對光譜儀的控制、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù) 顯示以及為數(shù)據(jù)采集單元提供恒流驅(qū)動的功能。其中，所述夾具單元進(jìn)一步包括壓力傳感器和第一模/數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器；壓力傳感 器用于調(diào)節(jié)和采集被測部位的壓力狀況，并將所測得的壓力經(jīng)第一 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號。所述數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)一步包括用于通過光纖傳導(dǎo)提供光照的光源、采集被測部位 光譜值的光譜儀和測量被測部位溫度值的溫度傳感器及第二 A/D轉(zhuǎn)換器；溫度傳感器所測 得的溫度經(jīng)所述第二 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，以及采集的被測部位的光譜值，分別傳至數(shù)據(jù)處理單元。所述數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)一步包括計算模塊、輸入/輸出模塊和控制模塊；其中，計算模塊，用于在控制模塊的驅(qū)動下讀取存儲或采集的測量數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的數(shù) 據(jù)運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果存儲在內(nèi)部存儲器中；輸入/輸出模塊，用于通過該模塊接收輸入設(shè)備的控制信號及外接顯示單元來顯 示采集的數(shù)據(jù)信號和輸出測量結(jié)果數(shù)據(jù)；控制模塊，用于控制對溫度測量、光譜數(shù)據(jù)的采集過程，并根據(jù)程序流程控制相應(yīng) 的數(shù)據(jù)計算過程。所述人體血糖無創(chuàng)檢測儀進(jìn)一步包括顯示單元，用于顯示采集的壓力值、溫度值 和光譜數(shù)據(jù)，以及顯示數(shù)據(jù)處理單元所輸出的測量結(jié)果。一種用于權(quán)利要求1所述人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀的夾具單元，該夾具單元 主要包括壓力傳感器、光纖支架、手指固定槽和手掌固定底座；其中，壓力傳感器，用于調(diào)節(jié)和采集被測部位的壓力狀況；光纖支架，用于固定連接光源的光纖，以使其與被測部位保持適度接觸；手指固定槽，用于固定被測者的手指位置，使其與所述壓力傳感器以一定壓力接 觸；手掌固定底座，用于約束被測者的手掌左右方向的移動和保持手掌處于水平狀 態(tài)。其中，所述壓力傳感器還包括壓力傳感器本體、手指固定底座和連接螺栓，壓力傳 感器本體上側(cè)與手指固定槽相連，感受傳來的壓力，并將壓力轉(zhuǎn)換為電信號通過接口傳出， 手指固定底座對整個夾具的手指部分起固定和支撐作用，連接螺栓將手指固定底座固定在 手掌固定底座上；所述光纖支架進(jìn)一步包括光纖固定支架、上部平板、水平儀、光纖固定螺栓、連接 固定螺栓；光纖探頭伸入光纖固定支架的孔中，通過旋動光纖固定螺栓固定；兩個水平儀 分別用來指示上部平板在X、Y軸方向的水平；連接固定螺栓為長螺栓與夾具的壓力傳感器 部分連接，固定并調(diào)節(jié)上部平板使其達(dá)到水平；所述手指固定槽進(jìn)一步包括帶有單側(cè)擋板的平板、活動的L形擋板和強(qiáng)力鈷磁 鐵；帶有單側(cè)擋板的平板的單側(cè)擋板約束手指的左側(cè)，活動的L形擋板的L形分別約束手指 的前端與右側(cè)，且活動的L形擋板有一水平部分，能夠在手指固定槽上活動，當(dāng)達(dá)到理想位 置后，通過強(qiáng)力鈷磁鐵將活動的L形擋板固定于帶有單側(cè)擋板的平板之上；帶有單側(cè)擋板 的平板下部與壓力傳感器的上部固定連接；以及所述手掌固定底座進(jìn)一步包括帶有滑槽的手掌側(cè)擋板、滑竿、手掌固定底座本體、 可調(diào)墊腳和螺孔；所述螺孔設(shè)有多個，可以保證對不同手指測量的需求；帶有滑槽的手掌 側(cè)擋板通過底側(cè)螺栓在手掌固定底座本體的滑槽中滑動，以約束手掌的左右方向的移動， 當(dāng)手掌位置確定后通過底側(cè)螺栓固定與手掌固定底座本體上，兩滑竿在帶有滑槽的手掌側(cè) 擋板滑槽中滑動，用以約束手掌上下方向的移動，當(dāng)手掌位置確定后，旋動滑竿上的螺母固 定，通過旋轉(zhuǎn)可調(diào)墊腳旋進(jìn)手掌固定底座本體的深度，調(diào)節(jié)手掌固定底座本體大致保持平 一種人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測方法，該方法包括
A、打開人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀的主機(jī)電源，為系統(tǒng)各單元和自身的功能模 塊供電；B、執(zhí)行系統(tǒng)初始化操作，使系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，清除內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)各模塊 賦初始狀態(tài)值；C、在初始狀態(tài)下，關(guān)閉光源，采集暗光譜；D、開啟光源，并采集由標(biāo)準(zhǔn)參考板產(chǎn)生的參考光譜；E、通過可調(diào)節(jié)夾具單元固定人體被測部位，以復(fù)現(xiàn)測量壓力至理想值；F、采集樣本光譜數(shù)據(jù)與測量溫度，將其存儲在數(shù)據(jù)存儲單元；G、將上述光譜數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)代入已建好的校正模型中，計算被測者的血液生化 參數(shù)值；H、輸出檢測結(jié)果，并顯示，然后存儲該結(jié)果。其中，步驟G中利用已建好的校正模型計算被測者的血液生化參數(shù)值，進(jìn)一步還 包括采用改進(jìn)的隨機(jī)檢驗(yàn)法確定建模過程中的最佳主成分個數(shù)，其中確定最佳主成分個數(shù) 的過程為G1、對預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)利用偏最小二乘法回歸，得到P個主成分，其中，P為預(yù) 設(shè)值；G2、計算所述P個主成分的分向量，并進(jìn)一步計算每一個的分向量與濃度向量的 協(xié)方差；G3、將濃度矩陣隨機(jī)排列后，計算其與的分向量的協(xié)方差，并計算該其協(xié)方差與步 驟G2中獲得的協(xié)方差的差值；G4、將步驟G3重復(fù)K次，得到K個協(xié)方差差值，其中，K為預(yù)設(shè)值；G5、統(tǒng)計每個主成分下的步驟G4中K個協(xié)方差差值的標(biāo)準(zhǔn)差；G6、計算相鄰兩主成分對模型貢獻(xiàn)率的差異，當(dāng)所述差異穩(wěn)定時，將其臨界值作為 最佳主成分個數(shù)，所述主成分用于建立PLS定理校正模型。本發(fā)明所提供的人體血液生化參數(shù)的無創(chuàng)檢測儀及檢測方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)采用近紅外光譜分析技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)無創(chuàng)、快速、連續(xù)測量，避免了感染及測量采 血時的痛苦。該無創(chuàng)檢測儀使用微型通用光譜儀，其具有獨(dú)立的微處理單元，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備 小型化。在測量前，通過調(diào)節(jié)夾具使之達(dá)到最佳測量壓力，事先預(yù)先計算的最佳壓力可以保 證該壓力下所得光譜信號信噪比優(yōu)于其他壓力下的，從而能夠提高測量人體血液生化參數(shù) 結(jié)果的測量精度。另外，本發(fā)明在測量時置于光譜采集探頭前端的溫度傳感器，可將人體被 測部位的溫度傳至微處理器單元作為校正模型的一個輸入?yún)⑴c預(yù)測計算，并可通過上述途 徑消除測量過程中溫度變化引入的誤差，進(jìn)一步提高人體血液生化參數(shù)的測量精度。另外，在校正模型中通過提供一種主成分個數(shù)選取方法，降低了計算的復(fù)雜程度， 可實(shí)現(xiàn)測量的實(shí)時與迅速，同時也可以去除光譜中的無效信息，從而實(shí)現(xiàn)提高測量精度的 目的。


圖1為本發(fā)明的人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀的原理示意圖；圖2為本發(fā)明夾具單元的整體示意圖3為本發(fā)明夾具單元的分解效果圖；圖4為本發(fā)明夾具單元的壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明夾具單元的光纖支架結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明夾具單元的手指固定槽結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明夾具單元的手掌固定底座結(jié)構(gòu)示意；圖8為本發(fā)明數(shù)據(jù)處理單元的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為應(yīng)用本發(fā)明的人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀進(jìn)行人體血糖測量的過程示 意圖；圖10為通過本發(fā)明人體血糖無創(chuàng)檢測儀采集的原始光譜圖形；圖11為模型訓(xùn)練過程中對于校正集樣本采用改進(jìn)的隨機(jī)檢驗(yàn)方法依據(jù)RJP)曲 線確定主成分個數(shù)的圖形。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及本發(fā)明的實(shí)施例對本發(fā)明的方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明的核心思想是通過可調(diào)節(jié)夾具及自動化的控制流程的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對人體 血液生化參數(shù)的無損傷測量；在測量開始前調(diào)節(jié)夾具達(dá)到最佳測量壓力，并通過置于光譜 采集探頭前端的溫度傳感器可將被測部位的溫度傳至微處理器單元作為校正模型的一個 輸入?yún)⑴c預(yù)測計算，上述兩途徑可消除測量過程中壓力與溫度引入的誤差，從而提高對人 體血液生化參數(shù)的測量精度；通過在校正模型中提出了一種主成分個數(shù)選取方法，以降低 計算復(fù)雜度，同時去除光譜中的無效信息，進(jìn)而提高測量精度。圖1為本發(fā)明的人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀的原理示意圖，如圖1所示，該無創(chuàng) 檢測儀包括夾具單元10、數(shù)據(jù)采集單元20、數(shù)據(jù)處理單元30和顯示單元40 ；其中，夾具單元10，用于夾持和固定人體的被測試部位，通過調(diào)節(jié)夾具單元以達(dá)到最佳 測量壓力值。所述最佳測量壓力值，其范圍在10 15KPa之間。超出該壓力范圍，則會導(dǎo) 致測量結(jié)果誤差變大。這里，所述夾具單元10，主要包括壓力傳感器11和第一模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器12。 該壓力傳感器11，用于調(diào)節(jié)和采集被測部位的壓力狀況，并將測得的壓力經(jīng)第一 A/D轉(zhuǎn)換 器12轉(zhuǎn)換為電信號，然后傳至顯示單元40顯示其壓力值。數(shù)據(jù)采集單元20，用于采集被測部位的光譜值和溫度信號，然后將溫度信號和所 述光譜值傳送至微處理單元30進(jìn)行進(jìn)一步處理。所述溫度信號和光譜值作為數(shù)據(jù)處理單 元30，作為校正模型的輸入。這里，所述數(shù)據(jù)采集單元20，主要包括光源21、光譜儀22、溫度傳感器23和第二 A/D轉(zhuǎn)換器24。所述光源用于提供必要的光照條件，以便光譜儀22采集被測部位的光譜信 號。所述光源可以是鹵鎢燈或其他寬頻光源，要求其穩(wěn)定輸出波長在780nm 2500nm范 圍，通過近紅外光纖將光源傳導(dǎo)至被測部位，再用所述光譜儀22 (可采用微型通用光譜儀) 采集被測部位的光譜值，以及用所述溫度傳感器23采集被測部位的溫度信號，并將所述溫 度信號通過第二 A/D轉(zhuǎn)換器24轉(zhuǎn)換為電信號。要求溫度傳感器23的量程在30°C 42°C 范圍，精度至少高于0. 1°C。要求所述光譜儀22可采集波長的范圍在780nm 2500nm。這 樣，將使用光譜儀22和溫度傳感器23分別采集到的被測部位的光譜值和溫度信號(經(jīng)第二 A/D轉(zhuǎn)換器24轉(zhuǎn)換后的電信號)，連同所述光譜值傳至數(shù)據(jù)處理單元30進(jìn)行進(jìn)一步處理。數(shù)據(jù)處理單元30，用于實(shí)現(xiàn)檢測過程中對光譜儀的控制、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存儲、數(shù) 據(jù)顯示以及為數(shù)據(jù)采集單元20提供恒流驅(qū)動等的功能。這里，所述數(shù)據(jù)處理單元30，主要包括計算模塊31、輸入/輸出模塊32和控制模 塊33。計算模塊31，用于在控制模塊33的驅(qū)動下讀取存儲或采集的測量數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的 數(shù)據(jù)運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果存儲在內(nèi)部存儲器中。輸入/輸出模塊32，用于通過該模塊接收輸 入設(shè)備的控制信號及外接顯示單元來顯示采集的數(shù)據(jù)信號和輸出測量結(jié)果數(shù)據(jù)?？刂颇K 33，用于控制對溫度測量、光譜數(shù)據(jù)等的采集過程，并根據(jù)程序流程控制相應(yīng)的數(shù)據(jù)計算過 程。顯示單元40，用于顯示采集的壓力值、溫度值和光譜數(shù)據(jù)等，以及顯示數(shù)據(jù)處理單 元30輸出的測量結(jié)果數(shù)據(jù)。所述顯示單元40，可以是液晶顯示屏或其他顯示裝置。以上所述的夾具單元10，除圖1所示的壓力傳感器11和第一 A/D轉(zhuǎn)換器12外，還 包括光纖支架13、手指固定槽14、手掌固定底座15等部件，如圖2所示，下面對所述夾具單 元的結(jié)構(gòu)和用途進(jìn)行詳細(xì)說明圖2、圖3分別為本發(fā)明夾具單元的整體示意圖和分解效果圖，參考圖2和圖3，所 述夾具單元10包括有壓力傳感器11、光纖支架13、手指固定槽14和手掌固定底座15。圖4為本發(fā)明夾具單元的壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示，該壓力傳感器包括 壓力傳感器本體111、手指固定底座112和連接螺栓113。壓力傳感器本體111上側(cè)與手指 固定槽相連，感受傳來的壓力，并將壓力轉(zhuǎn)換為電信號通過接口傳出，手指固定底座112對 整個夾具的手指部分起固定和支撐作用，連接螺栓113將手指固定底座112固定在手掌固 定底座15上。圖5為本發(fā)明夾具單元的光纖支架結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5所示，包括光纖固定支架 131、上部平板132、水平儀133、光纖固定螺栓134、連接固定螺栓135。光纖探頭伸入光纖 固定支架131的孔中，通過旋動光纖固定螺栓134固定；兩個水平儀133，分別用來指示上 部平板132在X、Y軸方向的水平；連接固定螺栓135為長螺栓與夾具的壓力傳感器11部分 連接，固定并調(diào)節(jié)上部平板132使其可達(dá)到水平。圖6為本發(fā)明夾具單元的手指固定槽結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6所示，包括帶有單側(cè)擋板 的平板141、活動的L形擋板142和強(qiáng)力鈷磁鐵143。帶有單側(cè)擋板的平板141的單側(cè)擋板 約束手指的左側(cè)，活動的L形擋板142的L形分別約束手指的前端與右側(cè)，且活動的L形擋 板142有一水平部分，可在手指固定槽14上活動，當(dāng)達(dá)到理想位置后，通過強(qiáng)力鈷磁鐵將活 動的L形擋板142固定于帶有單側(cè)擋板的平板141之上。帶有單側(cè)擋板的平板141下部與 壓力傳感器11的上部固定連接。圖7為本發(fā)明夾具單元的手掌固定底座結(jié)構(gòu)示意圖，如圖7所示，包括帶有滑槽的 手掌側(cè)擋板151、滑竿152、手掌固定底座本體153、可調(diào)墊腳154和螺孔155。所述螺孔155 有多個，可以保證對不同手指測量的需求。帶有滑槽的手掌側(cè)擋板151可以通過底側(cè)的螺 栓在手掌固定底座本體153的滑槽中滑動，以約束手掌的左右方向的移動，當(dāng)手掌位置確 定后通過底側(cè)螺栓固定與手掌固定底座本體153上，兩滑竿152可在帶有滑槽的手掌側(cè)擋 板151滑槽中滑動，用以約束手掌上下方向的移動，當(dāng)手掌位置確定后，旋動滑竿152上的螺母固定，通過旋轉(zhuǎn)可調(diào)墊腳154旋進(jìn)手掌固定底座本體153的深度，調(diào)節(jié)手掌固定底座本 體153大致保持平衡。綜上所述，所述夾具單元10，根據(jù)所測部位(通常為手指)連接壓力傳感器11和 手掌固定底座15，通過光纖支架13固定光纖，將手指深入手掌固定槽14中通過調(diào)節(jié)固定 手指，然后調(diào)節(jié)連接固定螺栓135，觀測壓力傳感器111的輸出，保證手指所受壓力達(dá)到最 佳值，并使壓力傳感器11保持水平狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)手掌調(diào)節(jié)底座15的滑竿152位置固定手掌。完成上述準(zhǔn)備工作后，即可開始對被測部位的溫度和反射的光譜進(jìn)行采集，然后 將所采集到的溫度值和光譜數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行處理。其中，數(shù)據(jù)采集單元20中的 鹵鎢燈光源21，其波長范圍400nm 2500nm ；光譜儀22可采用美國海洋光學(xué)公司生產(chǎn)的近 紅外微型光柵光譜儀NIR QUEST256-2. 5，其波長范圍為855nm 2500nm的近紅外光譜，同 時，它采用256像元的濱松InGaAs線性陣列探測器并帶有板載熱電致冷功能，可以用來監(jiān) 測電荷耦合器件(CCD)陣列的溫度。該光譜儀配有16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，并提供USB2. 0接 口和串口 RS-232。圖8為本發(fā)明數(shù)據(jù)處理單元的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖8所示，該系統(tǒng)是本發(fā)明無創(chuàng) 檢測儀整個硬件系統(tǒng)的核心，可采用數(shù)字信號處理(DSP)芯片TM320F2812或其他具有強(qiáng)大 的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制功能的芯片作為微處理器，用以完成對光譜儀的控制以及相關(guān)的數(shù)字信 號處理及運(yùn)算等功能。該系統(tǒng)存儲有包含數(shù)據(jù)處理的多元校正模型，用于光譜數(shù)據(jù)的計算， 通過按鍵選擇改換不同的校正模型，即可通過本發(fā)明無創(chuàng)檢測儀測得被測者的血液生化參 數(shù)值，如血糖、甘油三酯、總膽固醇、總蛋白含量等。該微處理器具有兩路串行通信串口(SCI 口)，將其設(shè)置為RS-232接口，分別與上 位PC機(jī)、光譜儀進(jìn)行通信。配合該微處理器，該檢測儀還設(shè)有顯示單元40，通過總線控制或 通過GPIO 口，控制液晶顯示屏的顯示，液晶顯示屏作為提示用戶操作和顯示人體血液生化 參數(shù)值的輸出設(shè)備。圖9為應(yīng)用本發(fā)明的人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀進(jìn)行人體血糖測量的過程示 意圖，如圖9所示，該過程包括步驟901、打開主機(jī)電源，為系統(tǒng)各單元和自身的功能模塊供電。步驟902、執(zhí)行系統(tǒng)初始化操作，使系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，清除內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，為系統(tǒng) 各模塊賦初始狀態(tài)值。步驟903、在初始狀態(tài)下，關(guān)閉光源，采集暗光譜。步驟904、開啟光源，并采集由標(biāo)準(zhǔn)參考板產(chǎn)生的參考光譜。步驟905、通過可調(diào)節(jié)夾具固定被測部位，以復(fù)現(xiàn)測量壓力至理想值。這里，該理想值是事先通過仿真計算出最佳測量壓力。首先通過裝置手掌固定底 座15固定被測者的手掌，而后通過光纖支架13、手指固定槽14和壓力傳感器11來固定手 指，而后調(diào)節(jié)連接固定螺栓135增加或降低測量壓力，觀察顯示單元40上顯示的壓力值，直 至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最佳測量壓力，調(diào)節(jié)的同時根據(jù)水平儀133，保持夾具上部平板132處于 水平狀態(tài)。步驟906、采集樣本光譜數(shù)據(jù)與測量溫度，將其存儲在數(shù)據(jù)存儲單元。步驟907、將上述光譜數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)代入已建好的校正模型中，計算被測者的血液生化參數(shù)值，如血糖值。這里，通過運(yùn)行保存在數(shù)據(jù)處理單元內(nèi)部存儲器中的指令，讀取采集到的人體的 光譜數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，對讀取的855nm 2500nm波段光譜的256個波長變量，采用連續(xù)投 影波長變量優(yōu)選方法，從中選取20個波長變量，然后進(jìn)行主成分分析，將得到的前8個主成 分和溫度數(shù)據(jù)作為輸入，調(diào)用存儲單元中已訓(xùn)練好的預(yù)測模型。本實(shí)施例中我們采用的預(yù)測模型是已訓(xùn)練好的偏最小二乘回歸模型。其中如圖10 所示為通過本發(fā)明的人體血糖無創(chuàng)檢測儀采集的用于訓(xùn)練預(yù)測模型的31個樣本的原始光 譜圖形，在模型訓(xùn)練過程中，選擇其中21個光譜樣本作為校正集用于建模，其余10個光譜 樣本作為驗(yàn)證集用于評價模型的性能。如圖11所示，為模型訓(xùn)練過程中對于校正集樣本，采用改進(jìn)的隨機(jī)檢驗(yàn)方法依據(jù) Rr(P)曲線確定主成分個數(shù)的圖形，根據(jù)圖形顯示確定最佳主成分個數(shù)為8。用該模型預(yù)測 驗(yàn)證集樣本，得到的預(yù)測均方根誤差為0. 29mmol/L，相關(guān)系數(shù)為0. 98，其驗(yàn)證集樣本的預(yù) 測值與參考值如表一所示，完全能夠滿足醫(yī)療機(jī)構(gòu)快速、安全地測定人體血液生化參數(shù)的 需要。需要說明的是，對人體甘油三酯、總膽固醇、總蛋白含量等人體血液生化參數(shù)進(jìn)行檢 測的過程與對血糖濃度的檢測過程類似，在此不再贅述。表一 步驟908、輸出檢測結(jié)果，并顯示，然后存儲該結(jié)果。步驟909 結(jié)束測量過程。
其中，在上述步驟907中，通?？刹捎枚喾N方法建立校正模型，這里，以采用偏最 小二乘(PLS)回歸法為例來建立校正模型。當(dāng)校正模型建立后，再采用改進(jìn)的隨機(jī)檢驗(yàn)法 確定建模的最佳主成分個數(shù)，其中確定最佳主成分個數(shù)的過程為步驟A、初始化數(shù)據(jù)。設(shè)定預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)Etl、原始濃度信息向量Ftl，給定預(yù) 測值最大主成分個數(shù)Pmax ；步驟B、通過一般的PLS回歸法獲得Pmax個主成分得分向量tP，計算原始模型每一 個主成分下的統(tǒng)計參數(shù)。記原始模型的統(tǒng)計參數(shù)為cp，Cp為向量Ftl與得分向量tP的協(xié)方 差，艮口 Cp = cov (tp, F0), ρ = (1,2, ... , Pmax)；步驟C、在每個主成分下，將濃度矩陣隨機(jī)排列K次獲得K個濃度矩陣，記為Fp, κ, 計算重新排列后隨機(jī)模型的統(tǒng)計參數(shù)，則隨機(jī)模型的統(tǒng)計參數(shù)為Cp,K = cov (tP, Fp,κ)；步驟D、計算隨機(jī)模型與原始模型的統(tǒng)計參數(shù)差異，即Dp,K = Cp-Cp,κ ；步驟Ε、定義第P個主成分的貢獻(xiàn)率表達(dá)式為Rs(P) =100*(VpZV1)，其中Vp = Std(Dp)。主成分之間的相對貢獻(xiàn)率表達(dá)式為Rr(P)=艮(《/艮( +1)，根據(jù)艮(《曲線，可判 定當(dāng)艮(P)趨于穩(wěn)定時(波動在一個穩(wěn)定的臨界區(qū)域內(nèi))，則臨界值P作為最優(yōu)的主成分個 數(shù)選出，即前P個主成分作為最佳主成分用于建立PLS定量校正模型。本發(fā)明中采用偏最小二乘(PLS)回歸法建立校正模型，通過對光譜矩陣和濃度矩 陣同時進(jìn)行分解，消除無用的噪音信息。與主成分回歸相比，它是逐步提取光譜數(shù)據(jù)中的成 分，逐步增加變量，逐步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娘@著性，當(dāng)滿足要求時即停止運(yùn)算。偏最小二乘回歸分析由以下兩個基本公式構(gòu)成 y^hlk+f = ^ + /
k-1 (1)其中，d是PLS回歸法中的成分個數(shù)；tk是第k個潛在函數(shù)矩陣，pk是第k個回歸 系數(shù)矩陣，E是X的殘差矩陣，qk也是回歸系數(shù)，f是y的殘差矩陣。這里的主成分提取是 通過y與潛變量t的協(xié)方差最大化的進(jìn)行的，確定成分個數(shù)d是PLS回歸法的關(guān)鍵之一，合 適個數(shù)的主成分建模，可避免光譜分析校正模型的過擬合或欠擬合問題，有助于提高校正 模型的預(yù)測能力。主成分個數(shù)的選擇常用的方法是驗(yàn)證法，一種是交互驗(yàn)證，根據(jù)殘差平方和判定 主成分個數(shù)，采用不同方法剔除樣本及剔除不同數(shù)量的樣本個數(shù)的方式確定建模樣本，比 如留一法(LOO, Leave One 0ut)、k 折(k-fold)交互驗(yàn)證法(CV, Cross Validation)、蒙特 卡羅交互驗(yàn)證法(MCCV，Monte-Carlo CrossValidation,)等方法；另一種是統(tǒng)計檢驗(yàn)的方 法，在計算每個主成分時，加入了隨機(jī)化過程，對隨機(jī)化模型與原始模型的統(tǒng)計參數(shù)進(jìn)行顯 著性檢驗(yàn)，通過分布統(tǒng)計來判定PLS主成分個數(shù)，由于該法無需剔除樣本，考慮了全部校正 樣本息，因此具有一定的客觀性，但其統(tǒng)計判定過程比較復(fù)雜。本發(fā)明中提供的改進(jìn)型基于隨機(jī)檢驗(yàn)法的主成分確定方法，能夠避免校正模型的 過擬合或者欠擬合，僅根據(jù)各主成分對PLS模型的相對貢獻(xiàn)率大小及其曲線，來判定含有 用信息的主成分用于建模，無需類如交互驗(yàn)證法剔除樣本的驗(yàn)證過程，最大程度的保留了 全部訓(xùn)練樣本的信息，能更客觀的選擇用于建立校正模型的主成分，從而達(dá)到避免過擬合或欠擬合的問題。該方法也無類如一般隨機(jī)檢驗(yàn)中的顯著性檢驗(yàn)和分布統(tǒng)計過程，簡化了 判定過程，且根據(jù)艮(P)曲線進(jìn)行主成分個數(shù)的選擇過程可視化，能方便快速、交互式地、客 觀地選擇含信息主成分，可避免校正模型的過擬合或欠擬合問題，有助于提高光譜分析校 正模型的預(yù)測能力和穩(wěn)定性。 以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀，包括顯示單元，其特征在于，該無創(chuàng)檢測儀進(jìn)一步包括夾具單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元其中，夾具單元，用于夾持和固定人體的被測試部位，通過調(diào)節(jié)夾具單元以達(dá)到最佳測量壓力值；數(shù)據(jù)采集單元，用于采集被測部位的近紅外光譜值和溫度信號，然后將溫度信號和所述光譜值傳送至微處理單元進(jìn)行進(jìn)一步處理；以及數(shù)據(jù)處理單元，用于實(shí)現(xiàn)檢測過程中對光譜儀的控制、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示以及為數(shù)據(jù)采集單元提供恒流驅(qū)動的功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀，其特征在于，所述夾具單元 進(jìn)一步包括壓力傳感器和第一模/數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器；壓力傳感器用于調(diào)節(jié)和采集被測部位的 壓力狀況，并將所測得的壓力經(jīng)第一 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集 單元進(jìn)一步包括用于通過光纖傳導(dǎo)提供光照的光源、采集被測部位光譜值的光譜儀和測量 被測部位溫度值的溫度傳感器及第二 A/D轉(zhuǎn)換器；溫度傳感器所測得的溫度經(jīng)所述第二 A/ D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，以及采集的被測部位的光譜值，分別傳至數(shù)據(jù)處理單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理 單元進(jìn)一步包括計算模塊、輸入/輸出模塊和控制模塊；其中，計算模塊，用于在控制模塊的驅(qū)動下讀取存儲或采集的測量數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn) 算，并將運(yùn)算結(jié)果存儲在內(nèi)部存儲器中；輸入/輸出模塊，用于通過該模塊接收輸入設(shè)備的控制信號及外接顯示單元來顯示采 集的數(shù)據(jù)信號和輸出測量結(jié)果數(shù)據(jù)；控制模塊，用于控制對溫度測量、光譜數(shù)據(jù)的采集過程，并根據(jù)程序流程控制相應(yīng)的數(shù) 據(jù)計算過程。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀，其特征在于，所述人體血糖 無創(chuàng)檢測儀進(jìn)一步包括顯示單元，用于顯示采集的壓力值、溫度值和光譜數(shù)據(jù)，以及顯示數(shù) 據(jù)處理單元所輸出的測量結(jié)果。
6.一種用于權(quán)利要求1所述人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀的夾具單元，其特征在于， 該夾具單元主要包括壓力傳感器、光纖支架、手指固定槽和手掌固定底座；其中，壓力傳感器，用于調(diào)節(jié)和采集被測部位的壓力狀況；光纖支架，用于固定連接光源的光纖，以使其與被測部位保持適度接觸；手指固定槽，用于固定被測者的手指位置，使其與所述壓力傳感器以一定壓力接觸；手掌固定底座，用于約束被測者的手掌左右方向的移動和保持手掌處于水平狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的夾具單元，其特征在于，所述壓力傳感器還包括壓力傳感器 本體、手指固定底座和連接螺栓，壓力傳感器本體上側(cè)與手指固定槽相連，感受傳來的壓 力，并將壓力轉(zhuǎn)換為電信號通過接口傳出，手指固定底座對整個夾具的手指部分起固定和 支撐作用，連接螺栓將手指固定底座固定在手掌固定底座上；所述光纖支架進(jìn)一步包括光纖固定支架、上部平板、水平儀、光纖固定螺栓、連接固定 螺栓；光纖探頭伸入光纖固定支架的孔中，通過旋動光纖固定螺栓固定；兩個水平儀分別 用來指示上部平板在X、Y軸方向的水平；連接固定螺栓為長螺栓與夾具的壓力傳感器部分連接，固定并調(diào)節(jié)上部平板使其達(dá)到水平；所述手指固定槽進(jìn)一步包括帶有單側(cè)擋板的平板、活動的L形擋板和強(qiáng)力鈷磁鐵；帶 有單側(cè)擋板的平板的單側(cè)擋板約束手指的左側(cè)，活動的L形擋板的L形分別約束手指的 前端與右側(cè)，且活動的L形擋板有一水平部分，能夠在手指固定槽上活動，當(dāng)達(dá)到理想位置 后，通過強(qiáng)力鈷磁鐵將活動的L形擋板固定于帶有單側(cè)擋板的平板之上；帶有單側(cè)擋板的 平板下部與壓力傳感器的上部固定連接；以及所述手掌固定底座進(jìn)一步包括帶有滑槽的手掌側(cè)擋板、滑竿、手掌固定底座本體、可調(diào) 墊腳和螺孔；所述螺孔設(shè)有多個，可以保證對不同手指測量的需求；帶有滑槽的手掌側(cè)擋 板通過底側(cè)螺栓在手掌固定底座本體的滑槽中滑動，以約束手掌的左右方向的移動，當(dāng)手 掌位置確定后通過底側(cè)螺栓固定與手掌固定底座本體上，兩滑竿在帶有滑槽的手掌側(cè)擋板 滑槽中滑動，用以約束手掌上下方向的移動，當(dāng)手掌位置確定后，旋動滑竿上的螺母固定， 通過旋轉(zhuǎn)可調(diào)墊腳旋進(jìn)手掌固定底座本體的深度，調(diào)節(jié)手掌固定底座本體大致保持平衡。
8.一種人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測方法，其特征在于，該方法包括A、打開人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀的主機(jī)電源，為系統(tǒng)各單元和自身的功能模塊供電；B、執(zhí)行系統(tǒng)初始化操作，使系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，清除內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)各模塊賦初 始狀態(tài)值；C、在初始狀態(tài)下，關(guān)閉光源，采集暗光譜；D、開啟光源，并采集由標(biāo)準(zhǔn)參考板產(chǎn)生的參考光譜；E、通過可調(diào)節(jié)夾具單元固定人體被測部位，以復(fù)現(xiàn)測量壓力至理想值；F、采集樣本光譜數(shù)據(jù)與測量溫度，將其存儲在數(shù)據(jù)存儲單元；G、將上述光譜數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)代入已建好的校正模型中，計算被測者的血液生化參數(shù)值；H、輸出檢測結(jié)果，并顯示，然后存儲該結(jié)果。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測方法，其特征在于，步驟G中利用 已建好的校正模型計算被測者的血液生化參數(shù)值，進(jìn)一步還包括采用改進(jìn)的隨機(jī)檢驗(yàn)法確 定建模過程中的最佳主成分個數(shù)，其中確定最佳主成分個數(shù)的過程為G1、對預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)利用偏最小二乘法回歸，得到P個主成分，其中，P為預(yù)設(shè)值；G2、計算所述P個主成分的分向量，并進(jìn)一步計算每一個的分向量與濃度向量的協(xié)方差；G3、將濃度矩陣隨機(jī)排列后，計算其與的分向量的協(xié)方差，并計算該其協(xié)方差與步驟G2 中獲得的協(xié)方差的差值；G4、將步驟G3重復(fù)K次，得到K個協(xié)方差差值，其中，K為預(yù)設(shè)值； G5、統(tǒng)計每個主成分下的步驟G4中K個協(xié)方差差值的標(biāo)準(zhǔn)差； G6、計算相鄰兩主成分對模型貢獻(xiàn)率的差異，當(dāng)所述差異穩(wěn)定時，將其臨界值作為最佳 主成分個數(shù)，所述主成分用于建立PLS定理校正模型。
全文摘要
本發(fā)明公開一種人體血液生化參數(shù)無創(chuàng)檢測儀及檢測方法，該無創(chuàng)檢測儀主要包括夾具單元(10)、數(shù)據(jù)采集單元(20)和數(shù)據(jù)處理單元(30)，測量開始前通過調(diào)節(jié)夾具單元(10)達(dá)到最佳測量壓力，并通過置于采集單元(20)光譜采集探頭前端的溫度傳感器將被測部位的溫度傳至數(shù)據(jù)處理單元(30)作為校正模型的一個輸入，參與預(yù)測計算，通過上述措施可消除測量過程中壓力與溫度引入的誤差，提高本發(fā)明人體血液生化參數(shù)的測量精度，并且，通過數(shù)據(jù)處理單元(30)中設(shè)置的校正模型引入主成分個數(shù)選取方法，降低了計算的復(fù)雜度，可去除光譜中的無效信息，進(jìn)一步提高人體血液生化參數(shù)的測量精度。
文檔編號A61B5/1455GK101884541SQ20101021829
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者張廣軍, 李麗娜, 李響, 李慶波 申請人:北京航空航天大學(xué)