专利名称：一种基于近红外光谱的人体内酒精含量检测方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于近红外光谱的人体内酒精含量检测方法及系统。
背景技术：
随着交通行业技术的发展，人民生活水平的提高，酒后驾车导致的交通事故发生率急剧增加。因此，从主动安全角度出发，及时检测驾驶员体内酒精含量，禁止饮酒后驾驶人员启动汽车，成为减少和预防酒后驾车的有效手段。目前，检测人体内酒精含量较常用的手段为抽血检验法和呼气检验法。抽血检验法由于直接检测抽取的静脉或者毛细血管血液样本，检测结果无其他因素影响，最为直接、准确。但是抽血检测醉酒驾驶过程中，抽取血液样本，送至医院或专业检验部门，到检测出结果，中间经历的时间较长，在此期间，酒精含量会变低，原本可能是“醉酒驾驶”的驾驶员可能变成“酒后驾驶”甚至是“无酒驾驶”。特别是当涉嫌醉酒的驾驶员血液酒精含量处于临界值左右的时候，结果很可能会出现偏差。虽然抽血检验本身是精确的， 但检测结果不能实时的反映驾驶员体内酒精含量，这是抽血检验法的一个弊端。另外，抽血检验法需要抽取血液样本，属于有创检测，如果处理不当，有伤口感染的风险，被检测人有抵触情绪，操作不方便，检测周期长，无法在现场定量确定驾驶员是否酒后违章驾驶。呼气检验法，检测的是口鼻中呼出气体中酒精的含量，空气中酒精含量与血液中酒精含量有一个对应的比例系数。如专利号CN102004122A提出一种酒精检测报警装置， 用于检测空气中或者酒后驾驶人员呼吸中酒精含量并产生报警，报警频率随着被测酒精浓度的变化而变化；专利号CN101162232提出一种手持微型酒精检测器，电路由酒敏传感器、高速开关集成电路、语言报警集成电路、电阻、电容、发光二极管、三极管、稳压二极管组成；专利号CN1811371提出一种由呼吸气体中酒精含量检测器的气体进样方法；专利号 CN102117538A提出一种车载酒精检测警示仪与遥控监测装置，是将酒精测试信息直接存储在相应的微电脑芯片上；专利号CN101125530提出一种车辆酒精检测的方法和系统，酒精检测仪和反应时间检测仪分别与车载电子控制单元连接，酒精检测仪检测车辆内空气中的酒精浓度，并把检测结果发送给车载电子控制单元。呼气法检测仪中采用了单一的比例系数，而这个比例系数受个体生理结构、种族及环境的影响，变化很大，因此，针对个体时，误差较大，精确度差，检测数据只能作为参考，不能作为司法依据，如当事人对呼气检测结果有异议，需要进行抽血检验，而该检测需要抽血，容易引起当事人心理上的对抗，耗时相对较长。当被检测对象口中含有酒精残留时，会使得测量结果偏高，当被检测对象打嗝或者呕吐时，影响更加明显，更有甚者，被查到的司机为逃避醉酒驾驶的惩罚，在停车检测前会饮酒干扰检测，这将使得检测结果严重失真，造成错误判断。呼气检测时要求被检测对象在一定时间段内持续向检测仪呼气，无法连续测量。本发明与以上公开号发明的区别在于本发明检测的是皮肤血液酒精近红外光谱信息，可提供一种人体内血液酒精的无损实时检测方法。公开论文“白酒酒精度近红外光谱快速检测法”(检测技术，2006. 12)，提出采用近红外光谱技术结合偏最小二乘法(NITS-PLQ建立乙醇含量的定量数学模型，开发白酒酒精度
4的快速检测法”。
发明内容
本发明的目的针对现有酒精检测法局限性，本申请提供了一种基于近红外光谱的人体内酒精检测方法及系统，该方法不仅可以快速、实时、无创的检测出人体内酒精含量，而且能接近抽血检验法的精度。为达上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种基于近红外光谱的人体内酒精检测方法，包括以下步骤步骤A 采用透反射方式采集不同浓度酒精溶液的近红外光谱信息，建立体外校正样本集；步骤B 采用反射方式采集人体皮肤内酒精近红外光谱信息，建立体内校正样本集；步骤C 通过小波分析法对获得的人体内酒精反射光谱进行去噪声处理；步骤D 基于体内体外酒精近红外光谱信息，建立偏最小二乘法(PLS)校正模型；步骤E 基于所述校正模型，预测人体内酒精含量。采用透反射方式采集不同浓度酒精溶液的近红外光谱信息，测量校正样本集中的样本在1000-2500nm近红外范围的连续光谱，分析酒精在近红外光谱区的吸收特征，确定酒精在近红外光谱区的最佳吸收谱区。采用反射法采集人体酒精近红外反射光谱信息，近红外特征波长范围在2200nm 到2400nm之间。采用小波分析法去除样本集内噪声及其它成分包括水、葡萄糖、血红蛋白等；通过小波分析法对获得的人体内酒精反射光谱进行去噪声处理，步骤包括信号分解将近红外光谱信息通过小波变换进行K个尺度的分解(这里K = 3)，可将信号分解为高频成分(频率大于20Hz)和低频成分(频率小于20Hz)；可判定尺度1至尺度2的变换包含信号的高频成分，主要是噪声；尺度3的变换同时包含信号和噪声成分； 同时得到小波系数Wtl;阈值处理对小波系数Wtl作阈值处理，选择缺省去噪策略的硬阈值去噪方法进行除噪；信号重构把主要反映噪声频率的尺度(这里是尺度1和2)的小波变换去掉，再把剩余各尺度的小波变换结合起来作逆变换，就能得到较好地抑制了噪声的信号；对滤波后且只含有信号成分的小波系数进行重构，得到体内酒精近红外光谱信息。步骤A、采集体外校正样本集样本(不同浓度酒精溶液)，采用透反射方式测量校正样本集中的样本在1000-2500nm近红外范围的连续光谱，分析酒精(乙醇)在近红外光谱区的吸收特征，确定酒精在近红外光谱区的最佳吸收谱区以及吸光度与酒精浓度的定量关系。本发明采用通用光谱仪，对样本进行连续光谱测量。根据以上采集数据计算出吸光度，作为建立体外校正模型的光谱数据。吸光度的计算公式如下
权利要求
1.一种基于近红外光谱的人体内酒精含量检测方法，其特征在于，包括以下几个步骤步骤A 采用透反射方式采集不同浓度酒精溶液的近红外光谱信息，建立体外校正样本集；步骤B 采用反射方式采集人体皮肤内酒精近红外光谱信息，建立体内校正样本集； 步骤C 通过小波分析法对获得的人体内酒精反射光谱进行去噪声处理； 步骤D 基于体内体外酒精近红外光谱信息，建立偏最小二乘法校正模型； 步骤E 基于所述校正模型，预测人体内酒精含量。
2.根据权利要求1所述的基于近红外光谱的人体内酒精含量检测方法，其特征在于， 采用透反射方式采集不同浓度酒精溶液的近红外光谱信息，测量校正样本集中的样本在 1000-2500nm近红外范围的连续光谱，分析酒精在近红外光谱区的吸收特征，确定酒精在近红外光谱区的最佳吸收谱区；采用反射法采集人体酒精近红外反射光谱信息，近红外特征波长范围在2200nm到2500nm之间。
3.根据权利要求1所述的基于近红外光谱的人体内酒精含量检测方法，其特征在于， 通过小波分析法对获得的人体内酒精反射光谱进行去噪声处理，步骤包括信号分解将近红外光谱信息通过小波变换进行K个尺度的分解，将信号分解为高频成分和低频成分，同时得到小波系数Wtl ；阈值处理对小波系数Wtl作阈值处理，选择缺省去噪策略的硬阈值去噪方法进行除噪；信号重构把主要反映噪声频率的尺度的小波变换去掉，再把剩余各尺度的小波变换结合起来作逆变换，就得到较好地抑制了噪声的信号；对滤波后且只含有信号成分的小波系数进行重构，得到体内酒精近红外光谱信息。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述信号分解的步骤为信号分解步骤中 K = 3，频率大于20Hz为高频成分；频率小于20Hz为低频成分；尺度1至尺度2的变换包含信号的高频成分，主要是噪声；尺度3的变换同时包含信号和噪声成分；信号重构步骤中尺度1和2为主要反映噪声频率的尺度的小波变换。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述信号分解的步骤为对采集的原始信号进行二进小波变换，二进小波变换是通过正交镜像滤波器H和L的单位脉冲响应计算的，H为带通滤波器组，L为低通滤波器组，h(n)和g(n)分别为带通和低通滤波器组的单位脉冲响应，η为从1-100的自然数，根据Mallat构造的能够快速实现的离散二进小波变换，二进小波变换的快速分解算法为
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述阈值处理的步骤为二进小波在各分解尺度的阈值为
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述信号重构的步骤为二进小波变换的快速重构算法为
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用偏最小二乘法建立酒精含量校正模型，主成分数目确定采用PRESS法，PRESS是这样计算的使用一定数目的主成分建立一个模型，然后用这个模型对参加建模的每个样本进行预测，求出每个样本的预测值和已知值的差，PRESS的计算公式为
9.一种基于近红外光谱的人体内酒精含量检测系统，其特征是，包括近红外光源，近红外光源与光纤探头相连，光纤探头与分光系统相连，分光系统与数据采集系统相连，数据采集系统与数据处理系统相连，数据处理系统与显示屏相连。
10.如权利要求9所述的基于近红外光谱的人体内酒精含量检测系统，其特征是， 光纤探头采用反射型光纤探头，其包括入射光纤和反射光纤，发射波长范围从2200nm到 2500nm。
全文摘要
本发明涉及一种基于近红外光谱的人体内酒精含量检测方法及系统。本系统由光源、光纤探头、数据处理模块、数字显示模块组成。根据酒精分子C-O、C-C等键基团近红外吸收光谱与酒精含量的定量关系，该发明通过光学传感器探头检测皮肤血液中酒精反射光谱，并对其进行小波分析除噪后，将人体酒精的光谱特征和酒精含量建立定量关系，建立偏最小二乘法(PLS)校正模型，以达到检测人体内酒精含量的目的。
文档编号A61B5/1455GK102525481SQ20111041868
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者张明, 李增勇, 李建勇, 罗斯特, 陈国强 申请人:山东大学, 张明