近红外光声葡萄糖浓度检测信号分析与实验研究

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糖尿病已成为威胁人们生命健康的疾病之一,应对该疾病患者必须频繁检测自己的血糖。传统扎手指采血的方式无法做到连续的血糖监控且给使用者带来一定的痛楚。而光声效应被证明是一种潜在的可用于无创血糖检测的方法,而要将其应用于血糖的检测,必须首先判别出不同浓度的葡萄糖溶液。目前,对高浓度葡萄糖溶液的检测已有很多同类研究,但其溶液浓度通常是人体水平的10倍,对低浓度葡萄糖的检测大多使用了多个波长的光源,而本文实现了仅使用单个波长的激光对低浓度葡萄糖溶液进行检测。本文自行设计了一套光声信号采集系统,并开发了一套配套的数据采集软件,成功捕捉到了光声信号波形。通过对光声信号的时频分析,得出其信号位置及噪声分布,并对葡萄糖浓度和光声信号之间的关系进行了验证。通过蒸馏水校正法和多变量分析法,得到了以0.4 g/d L作为浓度梯度的高浓度下葡萄糖与光声信号的线性关系,并将线性度提高到了0.99以上。为了让系统能够分辨低浓度下的葡萄糖溶液,本文不断改进系统结构,在实验研究中一共设计了4类光声池结构,包括透射式结构、反射式结构、压感式结构和全溶液结构等。每种结构都有其各自的信号波形和优缺点。本文对这些结构的组成方式、设计原由以及所采集到信号的优劣进行了论证。最后通过横向对比,选出一个优势最为明显的结构进行进一步实验。本文确定了最具优势的一种结构,并在这种结构下对低浓度葡萄糖进行分辨。本文首先对可能影响实验结果的外界因素进行分析,论证温度、激光能量和液面高度对光声信号的影响,之后根据结论提出了外部因素校准法。通过校准,成功实现了对以20mg/d L作为浓度梯度的低浓度葡萄糖溶液的检测,将可检测范围细化到人体水平,并保证了其线性度在0.85以上。
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