人體血液生化參數無創檢測儀及檢測方法

2023-12-06 13:34:11 2

專利名稱：人體血液生化參數無創檢測儀及檢測方法
技術領域：
本發明涉及醫療檢測設備，尤其涉及一種人體血液生化參數無創檢測儀及檢測方法。
背景技術：
血液生化參數，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。現有檢測人體血液生化參數的設備，通常需要刺破待檢者的血管採集血樣，然 後對血樣進行化驗分析，從而得出生化指標的數值。由於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，並且取得檢測結果需要等待一定時間，不能當時就取得檢 測結果，因此，實時性較差。所以現在發展出了採用近紅外光譜分析法對人體血液生化參數 進行無創檢測的技術，相比較而言，無創檢測技術具有很大優勢，如，被測者安全、無痛、檢 測結果快速可得等。但在無創檢測血液生化參數的過程中，存在檢測結果易受諸多外部因 素，如，測量壓力、測量溫度以及所獲得的光譜中冗餘信息等的幹擾，從而導致測量精度和 可靠性低的不足。

發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種人體血液生化參數的無創檢測儀及檢 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 吸收有很好的相關性的原理，對人體各項血液生化參數進行無創檢測，通過消除測量過程 中的壓力與溫度等不利影響並降低計算複雜度，以提高檢測速度和提高人體血液生化參數 測量結果的精度和可靠性。為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的一種人體血液生化參數無創檢測儀，包括顯示單元，該無創檢測儀進一步包括夾 具單元、數據採集單元和數據處理單元其中，夾具單元，用於夾持和固定人體的被測試部位，通過調節夾具單元以達到最佳測 量壓力值；數據採集單元，用於採集被測部位的近紅外光譜值和溫度信號，然後將溫度信號 和所述光譜值傳送至微處理單元進行進一步處理；以及數據處理單元，用於實現檢測過程中對光譜儀的控制、數據計算、數據存儲和數據 顯示以及為數據採集單元提供恆流驅動的功能。其中，所述夾具單元進一步包括壓力傳感器和第一模/數A/D轉換器；壓力傳感 器用於調節和採集被測部位的壓力狀況，並將所測得的壓力經第一 A/D轉換器轉換為電信號。所述數據採集單元進一步包括用於通過光纖傳導提供光照的光源、採集被測部位 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轉換器；溫度傳感器所測 得的溫度經所述第二 A/D轉換器轉換為電信號，以及採集的被測部位的光譜值，分別傳至數據處理單元。所述數據處理單元進一步包括計算模塊、輸入/輸出模塊和控制模塊；其中，計算模塊，用於在控制模塊的驅動下讀取存儲或採集的測量數據，執行相應的數 據運算，並將運算結果存儲在內部存儲器中；輸入/輸出模塊，用於通過該模塊接收輸入設備的控制信號及外接顯示單元來顯 示採集的數據信號和輸出測量結果數據；控制模塊，用於控制對溫度測量、光譜數據的採集過程，並根據程序流程控制相應 的數據計算過程。所述人體血糖無創檢測儀進一步包括顯示單元，用於顯示採集的壓力值、溫度值 和光譜數據，以及顯示數據處理單元所輸出的測量結果。一種用於權利要求1所述人體血液生化參數無創檢測儀的夾具單元，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，用於調節和採集被測部位的壓力狀況；光纖支架，用於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，用於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，用於約束被測者的手掌左右方向的移動和保持手掌處於水平狀 態。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 感器本體上側與手指固定槽相連，感受傳來的壓力，並將壓力轉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，固定並調節上部平板使其達到水平；所述手指固定槽進一步包括帶有單側擋板的平板、活動的L形擋板和強力鈷磁 鐵；帶有單側擋板的平板的單側擋板約束手指的左側，活動的L形擋板的L形分別約束手指 的前端與右側，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，當達到理想位 置後，通過強力鈷磁鐵將活動的L形擋板固定於帶有單側擋板的平板之上；帶有單側擋板 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一步包括帶有滑槽的手掌側擋板、滑竿、手掌固定底座本體、 可調墊腳和螺孔；所述螺孔設有多個，可以保證對不同手指測量的需求；帶有滑槽的手掌 側擋板通過底側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， 當手掌位置確定後通過底側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 擋板滑槽中滑動，用以約束手掌上下方向的移動，當手掌位置確定後，旋動滑竿上的螺母固 定，通過旋轉可調墊腳旋進手掌固定底座本體的深度，調節手掌固定底座本體大致保持平 一種人體血液生化參數無創檢測方法，該方法包括
A、打開人體血液生化參數無創檢測儀的主機電源，為系統各單元和自身的功能模 塊供電；B、執行系統初始化操作，使系統進入工作狀態，清除內存中的數據，為系統各模塊 賦初始狀態值；C、在初始狀態下，關閉光源，採集暗光譜；D、開啟光源，並採集由標準參考板產生的參考光譜；E、通過可調節夾具單元固定人體被測部位，以復現測量壓力至理想值；F、採集樣本光譜數據與測量溫度，將其存儲在數據存儲單元；G、將上述光譜數據和溫度數據代入已建好的校正模型中，計算被測者的血液生化 參數值；H、輸出檢測結果，並顯示，然後存儲該結果。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值，進一步還 包括採用改進的隨機檢驗法確定建模過程中的最佳主成分個數，其中確定最佳主成分個數 的過程為G1、對預處理後的光譜數據利用偏最小二乘法回歸，得到P個主成分，其中，P為預 設值；G2、計算所述P個主成分的分向量，並進一步計算每一個的分向量與濃度向量的 協方差；G3、將濃度矩陣隨機排列後，計算其與的分向量的協方差，並計算該其協方差與步 驟G2中獲得的協方差的差值；G4、將步驟G3重複K次，得到K個協方差差值，其中，K為預設值；G5、統計每個主成分下的步驟G4中K個協方差差值的標準差；G6、計算相鄰兩主成分對模型貢獻率的差異，當所述差異穩定時，將其臨界值作為 最佳主成分個數，所述主成分用於建立PLS定理校正模型。本發明所提供的人體血液生化參數的無創檢測儀及檢測方法，具有以下優點採用近紅外光譜分析技術，能夠實現無創、快速、連續測量，避免了感染及測量採 血時的痛苦。該無創檢測儀使用微型通用光譜儀，其具有獨立的微處理單元，能夠實現設備 小型化。在測量前，通過調節夾具使之達到最佳測量壓力，事先預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於其他壓力下的，從而能夠提高測量人體血液生化參數 結果的測量精度。另外，本發明在測量時置於光譜採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參與預測計算，並可通過上述途 徑消除測量過程中溫度變化引入的誤差，進一步提高人體血液生化參數的測量精度。另外，在校正模型中通過提供一種主成分個數選取方法，降低了計算的複雜程度， 可實現測量的實時與迅速，同時也可以去除光譜中的無效信息，從而實現提高測量精度的 目的。


圖1為本發明的人體血液生化參數無創檢測儀的原理示意圖；圖2為本發明夾具單元的整體示意圖3為本發明夾具單元的分解效果圖；圖4為本發明夾具單元的壓力傳感器結構示意圖；圖5為本發明夾具單元的光纖支架結構示意圖；圖6為本發明夾具單元的手指固定槽結構示意圖；圖7為本發明夾具單元的手掌固定底座結構示意；圖8為本發明數據處理單元的系統結構示意圖；圖9為應用本發明的人體血液生化參數無創檢測儀進行人體血糖測量的過程示 意圖；圖10為通過本發明人體血糖無創檢測儀採集的原始光譜圖形；圖11為模型訓練過程中對於校正集樣本採用改進的隨機檢驗方法依據RJP)曲 線確定主成分個數的圖形。
具體實施例方式下面結合附圖及本發明的實施例對本發明的方法作進一步詳細的說明。本發明的核心思想是通過可調節夾具及自動化的控制流程的設計，實現對人體 血液生化參數的無損傷測量；在測量開始前調節夾具達到最佳測量壓力，並通過置於光譜 採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 輸入參與預測計算，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 體血液生化參數的測量精度；通過在校正模型中提出了一種主成分個數選取方法，以降低 計算複雜度，同時去除光譜中的無效信息，進而提高測量精度。圖1為本發明的人體血液生化參數無創檢測儀的原理示意圖，如圖1所示，該無創 檢測儀包括夾具單元10、數據採集單元20、數據處理單元30和顯示單元40 ；其中，夾具單元10，用於夾持和固定人體的被測試部位，通過調節夾具單元以達到最佳 測量壓力值。所述最佳測量壓力值，其範圍在10 15KPa之間。超出該壓力範圍，則會導 致測量結果誤差變大。這裡，所述夾具單元10，主要包括壓力傳感器11和第一模/數(A/D)轉換器12。 該壓力傳感器11，用於調節和採集被測部位的壓力狀況，並將測得的壓力經第一 A/D轉換 器12轉換為電信號，然後傳至顯示單元40顯示其壓力值。數據採集單元20，用於採集被測部位的光譜值和溫度信號，然後將溫度信號和所 述光譜值傳送至微處理單元30進行進一步處理。所述溫度信號和光譜值作為數據處理單 元30，作為校正模型的輸入。這裡，所述數據採集單元20，主要包括光源21、光譜儀22、溫度傳感器23和第二 A/D轉換器24。所述光源用於提供必要的光照條件，以便光譜儀22採集被測部位的光譜信 號。所述光源可以是滷鎢燈或其他寬頻光源，要求其穩定輸出波長在780nm 2500nm範 圍，通過近紅外光纖將光源傳導至被測部位，再用所述光譜儀22 (可採用微型通用光譜儀) 採集被測部位的光譜值，以及用所述溫度傳感器23採集被測部位的溫度信號，並將所述溫 度信號通過第二 A/D轉換器24轉換為電信號。要求溫度傳感器23的量程在30°C 42°C 範圍，精度至少高於0. 1°C。要求所述光譜儀22可採集波長的範圍在780nm 2500nm。這 樣，將使用光譜儀22和溫度傳感器23分別採集到的被測部位的光譜值和溫度信號(經第二 A/D轉換器24轉換後的電信號)，連同所述光譜值傳至數據處理單元30進行進一步處理。數據處理單元30，用於實現檢測過程中對光譜儀的控制、數據計算、數據存儲、數 據顯示以及為數據採集單元20提供恆流驅動等的功能。這裡，所述數據處理單元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，用於在控制模塊33的驅動下讀取存儲或採集的測量數據，執行相應的 數據運算，並將運算結果存儲在內部存儲器中。輸入/輸出模塊32，用於通過該模塊接收輸 入設備的控制信號及外接顯示單元來顯示採集的數據信號和輸出測量結果數據。控制模塊 33，用於控制對溫度測量、光譜數據等的採集過程，並根據程序流程控制相應的數據計算過 程。顯示單元40，用於顯示採集的壓力值、溫度值和光譜數據等，以及顯示數據處理單 元30輸出的測量結果數據。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 元的結構和用途進行詳細說明圖2、圖3分別為本發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為本發明夾具單元的壓力傳感器結構示意圖，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上側與手指 固定槽相連，感受傳來的壓力，並將壓力轉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為本發明夾具單元的光纖支架結構示意圖，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，固定並調節上部平板132使其可達到水平。圖6為本發明夾具單元的手指固定槽結構示意圖，如圖6所示，包括帶有單側擋板 的平板141、活動的L形擋板142和強力鈷磁鐵143。帶有單側擋板的平板141的單側擋板 約束手指的左側，活動的L形擋板142的L形分別約束手指的前端與右側，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，當達到理想位置後，通過強力鈷磁鐵將活 動的L形擋板142固定於帶有單側擋板的平板141之上。帶有單側擋板的平板141下部與 壓力傳感器11的上部固定連接。圖7為本發明夾具單元的手掌固定底座結構示意圖，如圖7所示，包括帶有滑槽的 手掌側擋板151、滑竿152、手掌固定底座本體153、可調墊腳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。帶有滑槽的手掌側擋板151可以通過底側的螺 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，當手掌位置確 定後通過底側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擋 板151滑槽中滑動，用以約束手掌上下方向的移動，當手掌位置確定後，旋動滑竿152上的螺母固定，通過旋轉可調墊腳154旋進手掌固定底座本體153的深度，調節手掌固定底座本 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中通過調節固定 手指，然後調節連接固定螺栓135，觀測壓力傳感器111的輸出，保證手指所受壓力達到最 佳值，並使壓力傳感器11保持水平狀態，通過調節手掌調節底座15的滑竿152位置固定手掌。完成上述準備工作後，即可開始對被測部位的溫度和反射的光譜進行採集，然後 將所採集到的溫度值和光譜數據傳至數據處理單元進行處理。其中，數據採集單元20中的 滷鎢燈光源21，其波長範圍400nm 2500nm ；光譜儀22可採用美國海洋光學公司生產的近 紅外微型光柵光譜儀NIR QUEST256-2. 5，其波長範圍為855nm 2500nm的近紅外光譜，同 時，它採用256像元的濱松InGaAs線性陣列探測器並帶有板載熱電致冷功能，可以用來監 測電荷耦合器件(CCD)陣列的溫度。該光譜儀配有16位模/數轉換器，並提供USB2. 0接 口和串口 RS-232。圖8為本發明數據處理單元的系統結構示意圖，如圖8所示，該系統是本發明無創 檢測儀整個硬體系統的核心，可採用數位訊號處理(DSP)晶片TM320F2812或其他具有強大 的數學運算和控制功能的晶片作為微處理器，用以完成對光譜儀的控制以及相關的數字信 號處理及運算等功能。該系統存儲有包含數據處理的多元校正模型，用於光譜數據的計算， 通過按鍵選擇改換不同的校正模型，即可通過本發明無創檢測儀測得被測者的血液生化參 數值，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)，將其設置為RS-232接口，分別與上 位PC機、光譜儀進行通信。配合該微處理器，該檢測儀還設有顯示單元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 參數值的輸出設備。圖9為應用本發明的人體血液生化參數無創檢測儀進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、打開主機電源，為系統各單元和自身的功能模塊供電。步驟902、執行系統初始化操作，使系統進入工作狀態，清除內存中的數據，為系統 各模塊賦初始狀態值。步驟903、在初始狀態下，關閉光源，採集暗光譜。步驟904、開啟光源，並採集由標準參考板產生的參考光譜。步驟905、通過可調節夾具固定被測部位，以復現測量壓力至理想值。這裡，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，而後通過光纖支架13、手指固定槽14和壓力傳感器11來固定手 指，而後調節連接固定螺栓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 至達到預先設定的最佳測量壓力，調節的同時根據水平儀133，保持夾具上部平板132處於 水平狀態。步驟906、採集樣本光譜數據與測量溫度，將其存儲在數據存儲單元。步驟907、將上述光譜數據和溫度數據代入已建好的校正模型中，計算被測者的血液生化參數值，如血糖值。這裡，通過運行保存在數據處理單元內部存儲器中的指令，讀取採集到的人體的 光譜數據和溫度數據，對讀取的855nm 2500nm波段光譜的256個波長變量，採用連續投 影波長變量優選方法，從中選取20個波長變量，然後進行主成分分析，將得到的前8個主成 分和溫度數據作為輸入，調用存儲單元中已訓練好的預測模型。本實施例中我們採用的預測模型是已訓練好的偏最小二乘回歸模型。其中如圖10 所示為通過本發明的人體血糖無創檢測儀採集的用於訓練預測模型的31個樣本的原始光 譜圖形，在模型訓練過程中，選擇其中21個光譜樣本作為校正集用於建模，其餘10個光譜 樣本作為驗證集用於評價模型的性能。如圖11所示，為模型訓練過程中對於校正集樣本，採用改進的隨機檢驗方法依據 Rr(P)曲線確定主成分個數的圖形，根據圖形顯示確定最佳主成分個數為8。用該模型預測 驗證集樣本，得到的預測均方根誤差為0. 29mmol/L，相關係數為0. 98，其驗證集樣本的預 測值與參考值如表一所示，完全能夠滿足醫療機構快速、安全地測定人體血液生化參數的 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進行檢 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、輸出檢測結果，並顯示，然後存儲該結果。步驟909 結束測量過程。
其中，在上述步驟907中，通常可採用多種方法建立校正模型，這裡，以採用偏最 小二乘(PLS)回歸法為例來建立校正模型。當校正模型建立後，再採用改進的隨機檢驗法 確定建模的最佳主成分個數，其中確定最佳主成分個數的過程為步驟A、初始化數據。設定預處理後的光譜數據Etl、原始濃度信息向量Ftl，給定預 測值最大主成分個數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 個主成分下的統計參數。記原始模型的統計參數為cp，Cp為向量Ftl與得分向量tP的協方 差，艮口 Cp = cov (tp, F0), ρ = (1,2, ... , Pmax)；步驟C、在每個主成分下，將濃度矩陣隨機排列K次獲得K個濃度矩陣，記為Fp, κ, 計算重新排列後隨機模型的統計參數，則隨機模型的統計參數為Cp,K = cov (tP, Fp,κ)；步驟D、計算隨機模型與原始模型的統計參數差異，即Dp,K = Cp-Cp,κ ；步驟Ε、定義第P個主成分的貢獻率表達式為Rs(P) =100*(VpZV1)，其中Vp = Std(Dp)。主成分之間的相對貢獻率表達式為Rr(P)=艮(《/艮( +1)，根據艮(《曲線，可判 定當艮(P)趨於穩定時(波動在一個穩定的臨界區域內)，則臨界值P作為最優的主成分個 數選出，即前P個主成分作為最佳主成分用於建立PLS定量校正模型。本發明中採用偏最小二乘(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據中的成 分，逐步增加變量，逐步檢驗模型的顯著性，當滿足要求時即停止運算。偏最小二乘回歸分析由以下兩個基本公式構成 y^hlk+f = ^ + /
k-1 (1)其中，d是PLS回歸法中的成分個數；tk是第k個潛在函數矩陣，pk是第k個回歸 係數矩陣，E是X的殘差矩陣，qk也是回歸係數，f是y的殘差矩陣。這裡的主成分提取是 通過y與潛變量t的協方差最大化的進行的，確定成分個數d是PLS回歸法的關鍵之一，合 適個數的主成分建模，可避免光譜分析校正模型的過擬合或欠擬合問題，有助於提高校正 模型的預測能力。主成分個數的選擇常用的方法是驗證法，一種是交互驗證，根據殘差平方和判定 主成分個數，採用不同方法剔除樣本及剔除不同數量的樣本個數的方式確定建模樣本，比 如留一法(LOO, Leave One 0ut)、k 折(k-fold)交互驗證法(CV, Cross Validation)、蒙特 卡羅交互驗證法(MCCV，Monte-Carlo CrossValidation,)等方法；另一種是統計檢驗的方 法，在計算每個主成分時，加入了隨機化過程，對隨機化模型與原始模型的統計參數進行顯 著性檢驗，通過分布統計來判定PLS主成分個數，由於該法無需剔除樣本，考慮了全部校正 樣本息，因此具有一定的客觀性，但其統計判定過程比較複雜。本發明中提供的改進型基於隨機檢驗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，僅根據各主成分對PLS模型的相對貢獻率大小及其曲線，來判定含有 用信息的主成分用於建模，無需類如交互驗證法剔除樣本的驗證過程，最大程度的保留了 全部訓練樣本的信息，能更客觀的選擇用於建立校正模型的主成分，從而達到避免過擬合或欠擬合的問題。該方法也無類如一般隨機檢驗中的顯著性檢驗和分布統計過程，簡化了 判定過程，且根據艮(P)曲線進行主成分個數的選擇過程可視化，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，有助於提高光譜分析校 正模型的預測能力和穩定性。 以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。
權利要求
一種人體血液生化參數無創檢測儀，包括顯示單元，其特徵在於，該無創檢測儀進一步包括夾具單元、數據採集單元和數據處理單元其中，夾具單元，用於夾持和固定人體的被測試部位，通過調節夾具單元以達到最佳測量壓力值；數據採集單元，用於採集被測部位的近紅外光譜值和溫度信號，然後將溫度信號和所述光譜值傳送至微處理單元進行進一步處理；以及數據處理單元，用於實現檢測過程中對光譜儀的控制、數據計算、數據存儲和數據顯示以及為數據採集單元提供恆流驅動的功能。
2.根據權利要求1所述的人體血液生化參數無創檢測儀，其特徵在於，所述夾具單元 進一步包括壓力傳感器和第一模/數A/D轉換器；壓力傳感器用於調節和採集被測部位的 壓力狀況，並將所測得的壓力經第一 A/D轉換器轉換為電信號。
3.根據權利要求1所述的人體血液生化參數無創檢測儀，其特徵在於，所述數據採集 單元進一步包括用於通過光纖傳導提供光照的光源、採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轉換器；溫度傳感器所測得的溫度經所述第二 A/ D轉換器轉換為電信號，以及採集的被測部位的光譜值，分別傳至數據處理單元。
4.根據權利要求1所述的人體血液生化參數無創檢測儀，其特徵在於，所述數據處理 單元進一步包括計算模塊、輸入/輸出模塊和控制模塊；其中，計算模塊，用於在控制模塊的驅動下讀取存儲或採集的測量數據，執行相應的數據運 算，並將運算結果存儲在內部存儲器中；輸入/輸出模塊，用於通過該模塊接收輸入設備的控制信號及外接顯示單元來顯示採 集的數據信號和輸出測量結果數據；控制模塊，用於控制對溫度測量、光譜數據的採集過程，並根據程序流程控制相應的數 據計算過程。
5.根據權利要求1所述的人體血液生化參數無創檢測儀，其特徵在於，所述人體血糖 無創檢測儀進一步包括顯示單元，用於顯示採集的壓力值、溫度值和光譜數據，以及顯示數 據處理單元所輸出的測量結果。
6.一種用於權利要求1所述人體血液生化參數無創檢測儀的夾具單元，其特徵在於， 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，用於調節和採集被測部位的壓力狀況；光纖支架，用於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，用於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，用於約束被測者的手掌左右方向的移動和保持手掌處於水平狀態。
7.根據權利要求6所述的夾具單元，其特徵在於，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與手指固定槽相連，感受傳來的壓 力，並將壓力轉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，固定並調節上部平板使其達到水平；所述手指固定槽進一步包括帶有單側擋板的平板、活動的L形擋板和強力鈷磁鐵；帶 有單側擋板的平板的單側擋板約束手指的左側，活動的L形擋板的L形分別約束手指的 前端與右側，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，當達到理想位置 後，通過強力鈷磁鐵將活動的L形擋板固定於帶有單側擋板的平板之上；帶有單側擋板的 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一步包括帶有滑槽的手掌側擋板、滑竿、手掌固定底座本體、可調 墊腳和螺孔；所述螺孔設有多個，可以保證對不同手指測量的需求；帶有滑槽的手掌側擋 板通過底側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，當手 掌位置確定後通過底側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擋板 滑槽中滑動，用以約束手掌上下方向的移動，當手掌位置確定後，旋動滑竿上的螺母固定， 通過旋轉可調墊腳旋進手掌固定底座本體的深度，調節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無創檢測方法，其特徵在於，該方法包括A、打開人體血液生化參數無創檢測儀的主機電源，為系統各單元和自身的功能模塊供電；B、執行系統初始化操作，使系統進入工作狀態，清除內存中的數據，為系統各模塊賦初 始狀態值；C、在初始狀態下，關閉光源，採集暗光譜；D、開啟光源，並採集由標準參考板產生的參考光譜；E、通過可調節夾具單元固定人體被測部位，以復現測量壓力至理想值；F、採集樣本光譜數據與測量溫度，將其存儲在數據存儲單元；G、將上述光譜數據和溫度數據代入已建好的校正模型中，計算被測者的血液生化參數值；H、輸出檢測結果，並顯示，然後存儲該結果。
9.根據權利要求8所述的人體血液生化參數無創檢測方法，其特徵在於，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值，進一步還包括採用改進的隨機檢驗法確 定建模過程中的最佳主成分個數，其中確定最佳主成分個數的過程為G1、對預處理後的光譜數據利用偏最小二乘法回歸，得到P個主成分，其中，P為預設值；G2、計算所述P個主成分的分向量，並進一步計算每一個的分向量與濃度向量的協方差；G3、將濃度矩陣隨機排列後，計算其與的分向量的協方差，並計算該其協方差與步驟G2 中獲得的協方差的差值；G4、將步驟G3重複K次，得到K個協方差差值，其中，K為預設值； G5、統計每個主成分下的步驟G4中K個協方差差值的標準差； G6、計算相鄰兩主成分對模型貢獻率的差異，當所述差異穩定時，將其臨界值作為最佳 主成分個數，所述主成分用於建立PLS定理校正模型。
全文摘要
本發明公開一種人體血液生化參數無創檢測儀及檢測方法，該無創檢測儀主要包括夾具單元(10)、數據採集單元(20)和數據處理單元(30)，測量開始前通過調節夾具單元(10)達到最佳測量壓力，並通過置於採集單元(20)光譜採集探頭前端的溫度傳感器將被測部位的溫度傳至數據處理單元(30)作為校正模型的一個輸入，參與預測計算，通過上述措施可消除測量過程中壓力與溫度引入的誤差，提高本發明人體血液生化參數的測量精度，並且，通過數據處理單元(30)中設置的校正模型引入主成分個數選取方法，降低了計算的複雜度，可去除光譜中的無效信息，進一步提高人體血液生化參數的測量精度。
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 優先權日2010年7月5日
發明者張廣軍, 李麗娜, 李響, 李慶波 申請人:北京航空航天大學