光谱数据干扰抑制方法、建模方法、预测方法和处理装置的制造方法

光谱数据干扰抑制方法、建模方法、预测方法和处理装置的制造方法
【专利摘要】提供了光谱数据干扰抑制方法、建模方法、预测方法和处理装置。根据实施例，一种光谱数据干扰抑制方法可以包括：确定至少一种干扰因素各自对光谱测量的干扰模式，所述干扰模式限定距离光源的多个径向位置处的干扰；获得包含特定成分的被测介质的漫射光谱数据；以及基于干扰模式，从漫射光谱数据中提取与特定成分相关的信息，其中，在所提取的信息中，抑制了与所述至少一种干扰因素对漫射光谱数据的干扰。
【专利说明】
光谱数据干扰抑制方法、建模方法、预测方法和处理装置
技术领域
[0001] 本公开一般地设及光谱检测领域，具体地，设及光谱数据的干扰抑制方法、成分浓 度建模和预测方法W及处理装置。
【背景技术】
[0002] 光谱检测法具有绿色无污染、不破坏样品、检测速度快、可实现多成分同时定量分 析、不需要使用任何试剂或试纸W及连续、实时监测等优点，是真正意义上的无创检测技 术。在生物医学领域，采用近红外吸收光谱方法已成功地实现快速、无创伤检测生物组织血 氧饱和度等生化指标。当前，近红外光谱测量方法被认为是最有应用前景的人体内生理成 分无创检测技术之一。
[0003] 利用光谱方法对被测物成分浓度进行检测时，测定的被测物通常是不经过提纯等 预处理的复杂样品，或者是人体中的某种待测成分。当待测成分浓度变化具有明显的波长 特性时，则可W采用多变量回归的方法建立校正模型进行待测成分的浓度测量。但是，在复 杂样品或个体中，除了待测成分外，还包含大量无法预知、随机的干扰成分，如人体的某些 成分浓度变化受人体溫度、屯、情等变化的影响，波长特性不明显。因此就需要消除运些不可 预知的背景对待测物浓度分析的影响后，再进行浓度测量分析。
[0004] 目前，消除近红外光谱信号中干扰因素的方法大致可W分为W下两种。 阳〇化]具体地，第一种方法是通过纯数学处理方法对光谱进行预处理。
[0006] 目前较常使用的光谱预处理方法为正交信号校正方法和净信号方法。正交信号校 正方法由S. Wold等提出，并用于近红外光谱预处理中，使得多元校正模型的预测能力得W 加强。净信号的概念由Lorber提出。胎Ctor C. Goicoechea等通过实验，对运两种方法的 近红外光谱修正结果进行比较，结果表明，分别采用正交信号校正方法和净信号方法对样 品光谱进行预处理，所建模型的预测结果表明运两种方法都无法明显提高样品浓度的预测 精度。运可能是因为光谱中的各种干扰并不一定全部与浓度矩阵正交，导致干扰并不能完 全被消除。
[0007] 第二种方法是采用合理的背景扣除方法消除光谱中的外界干扰。
[0008] 目前进行无创血糖研究的各个小组在对原始光谱进行背景扣除时，采用的方法基 本可分为W下=种：单光路扣空气、单光路扣纯水和双光路扣空气或标准反射板。David M.等在对全血中葡萄糖进行浓度预测的离体实验中，采用空气作为全血样品的背景。 Kirsten等在对血浆样品进行光谱测量时，选用不含被分析物（葡萄糖）的血浆作为参考 物，W此获得背景光谱。Ozaki等采用双光路方法进行背景扣除。然而，W空气或纯水作为 背景进行扣除只有在简单样品的实验中能取得较好的结果，当样品复杂度增大时，该背景 扣除方法将产生较大的样品浓度预测误差。此外，在人体检测中，若参考路上采用空气、纯 水甚至是离体血液样品等作为背景，在测量路上，仍旧存在被测人体本身或人机界面的变 化产生的噪声，运些是难W消除的。因此，对活体测量来说，还需要找到更好的背景扣除方 法。比如，在人体本身找到适宜的参考信号，作为测量背景进行扣除，即测量信号和参考信 号同时来自被测人体的相邻部位，它们在测量中将受到相似的干扰因素的影响。
[0009] 徐可欣等提出了基于浮动基准位置的光谱测量方法（CN1699973A)，使得背景消除 的技术得到了发展。具体地，可将浮动基准位置（例如，"葡萄糖的浮动基准位置"）的信号 作为参考，其不受葡萄糖浓度变化影响，仅反映干扰因素的影响。在其他位置获得含有葡萄 糖信息的测量信号后，可W在测量位置与基准位置处事先建立关联，通过浮动基准位置处 的光强漂移推测出测量位置处光强的漂移，进而消除干扰因素的影响。
[0010] 但是，当多种干扰同时存在时，特别是一些影响光学参数的因素，比如溫度、血氧 等等，它们在各个径向检测位置下分别具有不同的作用模式，实际测量结果是它们混叠的 结果，导致目前还没有有效的对策全部消除它们。需要针对影响光学参数的因素，发展抑制 乃至消除它们影响的方法，作为浮动基准位置法的有利补充，最终可有效提高被测成分浓 度预测的精度。

【发明内容】

[0011] 本公开的目的至少部分地在于提供能够有效抑制漫射光谱数据中干扰的光谱数 据处理方法，利用干扰被抑制的光谱数据进行预测模型建立和浓度预测的方法，W及相应 的处理装置。
[0012] 根据本公开的一个方面，提供了一种光谱数据干扰抑制方法。该方法可W包括：确 定至少一种干扰因素各自对光谱测量的干扰模式，所述干扰模式限定距离光源的多个径向 位置处的干扰；获得包含特定成分的被测介质的漫射光谱数据；W及基于干扰模式，从漫 射光谱数据中提取与特定成分相关的信息，其中，在所提取的信息中，抑制了与所述至少一 种干扰因素对漫射光谱数据的干扰。
[0013] 根据本公开的另一方面，提供了一种建立预测模型的方法。该方法可W包括：提供 一系列被测介质，所述一系列被测介质分别包括背景介质或基准介质W及向背景介质或基 准介质中加入的不同已知浓度的特定成分，其中所述基准介质包括背景介质W及初始浓度 的该特定成分；针对所述一系列被测介质，按上述方法进行处理；W及基于各已知浓度W 及提取的信息，获得预测模型。
[0014] 根据本公开的再一方面，提供了一种浓度预测方法。该方法可W包括：针对被测介 质，按上述方法进行处理，其中被测介质包括背景介质或基准介质，其中基准介质包括背景 介质W及初始浓度的特定成分，由于特定成分的浓度变化而导致被测介质中该特定成分的 浓度未知；W及基于提取的信息W及预测模型，预测所述特定成分的浓度。
[0015] 根据本公开的又一方面，提供了一种处理装置。该处理装置可W包括：探测器，用 W探测包含特定成分的被测介质对探测光的漫射光谱数据；W及处理器，被配置为基于至 少一种干扰因素各自对光谱测量的干扰模式，从漫射光谱数据中提取与特定成分相关的信 息，其中，所述干扰模式限定距离光源的多个径向位置处的干扰，且在所提取的信息中，抑 制了与所述至少一种干扰因素对漫射光谱数据的干扰。
[0016] 根据本公开的实施例，可W将运些与特定成分浓度无关的其他因素的干扰进行扣 除，得到实质上仅与特定成分有关的测量信息。该技术特别适用于消除大的误差来源，如仪 器漂移、体溫变化等。在去除较大的干扰因素后，特定成分的浓度预测精度可W大大提高。
【附图说明】
[0017] 通过W下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述W及其他目的、特征和 优点将更为清楚，在附图中：
[001引图1是示出了根据本公开实施例的光谱数据干扰抑制方法的示意图；
[0019] 图2是示出了根据本公开实施例的干扰因素单独作用W及综合作用的示意图；
[0020] 图2'是示出了根据本公开实施例的单一干扰因素作用的示意图；
[0021] 图3是示出了根据本公开实施例的无限介质情况下干扰因素单独作用W及综合 作用的示意图；
[0022] 图4是示出了根据本公开实施例的半无限介质情况下干扰因素单独作用W及综 合作用的示意图；
[0023] 图5是示出了根据本公开实施例的无限介质仿真情况下溫度作用线的示意图；
[0024] 图6是示出了根据本公开实施例的无限介质仿真情况下葡萄糖作用线的示意图； [002引图7是示出了根据本公开实施例的无限介质仿真情况下20mM葡萄糖浓度在不同 溫度下的综合作用线的示意图；
[00%] 图8是示出了根据本公开实施例的从图7的综合作用线中去除溫度作用线后的导 出葡萄糖作用线的示意图；
[0027] 图9是示出了根据本公开实施例的无限介质仿真情况下从葡萄糖浓度与溫度的 综合作用线中去除溫度作用线后的导出葡萄糖作用线的示意图；
[0028] 图10是示出了根据本公开实施例的半无限介质蒙特卡罗（MC)仿真情况下溫度作 用线的示意图；
[0029] 图11是示出了根据本公开实施例的半无限介质MC仿真情况下葡萄糖作用线的示 意图；
[0030] 图12是示出了根据本公开实施例的半无限介质MC仿真情况下20mM葡萄糖浓度 在不同溫度下的综合作用线的示意图；
[0031] 图13是示出了根据本公开实施例的从图12的综合作用线中去除溫度作用线后的 导出葡萄糖作用线的示意图；
[0032] 图14是示出了根据本公开实施例的半无限介质MC仿真情况下从葡萄糖浓度与溫 度的综合作用线中去除溫度作用线后的导出葡萄糖作用线的示意图；
[0033] 图15是示出了建立浓度预测模型和进行浓度预测的一般性原理的示意图；
[0034] 图16是示出了根据本公开实施例的建立预测模型/浓度预测方法的流程图；W及
[0035] 图17是示出了根据本公开实施例的处理装置的方框图。
【具体实施方式】
[0036] W下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，运些描述只是示例性 的，而并非要限制本公开的范围。此外，在W下说明中，可能省略了对公知结构和技术的描 述，W避免不必要地混淆本公开的概念。
[0037] 在对包含特定成分的被测介质进行光谱测量时，能够对被测介质的光学性质产生 影响的各种干扰因素将会对光谱测量产生影响。在获得的光谱数据中，运些干扰因素所导 致的干扰可能同时存在。
[003引在W下，主要讨论运样的因素，运种因素基本上只对被测介质的光学参数，例如吸 收系数和/或散射系数（或者，约化散射系数），直接或间接产生影响，而对于被测介质的测 量环境、测量接口、成分组成、密度、内部组织结构等方面基本上不会产生影响或者产生的 影响可忽略。
[0039] 例如，在人体无创血糖测试的情况下，被测介质为活体血液，特定成分为葡萄糖， 干扰因素可W包括溫度（具体地，体溫）、水、血氧W及系统漂移（例如，光源漂移、光强测量 仪器漂移等）等。在W下，为方便起见，W血糖或葡萄糖测试为例进行描述。但是，本公开 不限于此。 W40] 发明人发现，各种不同因素的影响之间是"加性"叠加的（运将在W下进一步予W 论证）。因此，测量获得的光谱数据（即，各种因素的综合作用结果）可W被分解为各单一 因素单独作用的累加。根据本公开的实施例，可W获得单一因素所导致的干扰的规律（或 者，"干扰模式"），将其用于混合因素作用时的光谱修正，W抑制乃至消除干扰因素的影响。
[0041] 根据上述特性，本公开提供了一种光谱数据干扰抑制方法。如图1所示，该方法 100可W在操作Sioi中获得包含特定成分的被测介质的漫射光谱数据。
[0042] 被测介质可W包括各种介质，如人体皮肤等。为方便描述，可W将被测介质视为包 括背景介质W及处于背景介质中的特定成分（即，背景介质可W是被测介质中除了特定成 分之外的其他成分）。运种特定成分可W是感兴趣的对象，例如血糖等。
[0043] 本领域技术人员知道多种方式来进行光谱测量，W获得光谱数据。例如，可W通过 光源W-定波长的探测光照射被测介质，并可W通过检测器探测被测介质的漫反射和/或 漫透射光，例如，测量其光强。或者，光源与检测器均可W浸入被测介质内部，来测量光谱数 据，运种情况类似于无限介质的情况。可W调整检测器的位置，W实现多个径向位置（即， 检测器相对于光源的位置）的测量。或者，检测器可W包括设于不同位置的两个或更多受 光单元W同时检测相应的两个或更多径向位置处的光强。
[0044] 此外，可W根据被测介质和/或其中特定成分的特性，选择一个或多个波长的探 测光，例如紫外、可见光和红外波段，来进行测量。例如，可W选择该特定成分的散射和/或 吸收特性敏感的波长，和/或背景介质的散射和/或吸收特性不敏感的波长。 W45] 有利地，可W测量光强（绝对和/或相对）变化量（例如，由被测介质中特定成分 的浓度变化导致），作为光谱数据。例如，可W对背景介质中不含该特定成分或该特定成分 为某固定初始浓度值（W下，将背景介质+初始浓度的特定成分称作"基准介质"）时，在一 径向位置处测量光谱，作为初始光谱，记为Ii。然后，当背景介质中该特定成分的浓度相对 于初始浓度发生改变时，测量此时被测介质在该径向位置处的光谱，记为12。例如，对于血 糖测量，可W先测量空腹时（此时血糖可W稳定地处于一个低水平状态）血液的光谱，作为 初始光谱；然后，可W测量餐后（此时，血糖开始变化，直至餐后2小时候逐渐又处于稳定水 平）血液的光谱，W便获取血糖的变化信息。可W根据运两个光谱来得到光强的（绝对） 变化量S= (Iz-Ii)，作为上述光谱数据。但是，需要指出的是，光谱数据不限于上述光强绝 对变化量，如下所述，还可W获得其他类型的数据（例如，光强的相对变化量S = InIz-InIi 或 S = (Iz-IiVli)。
[0046] 在本公开的许多实施例中，可能需要测量初始光谱。除了可W采用背景介质不含 特定成分时的光谱可W作为初始光谱，还可W采用背景介质中含任意固定初始浓度的特定 成分（即，基准介质）时的光谱作为初始光谱。例如，还可W针对某些介质（特别是不含特 定成分的背景介质），建立初始光谱的数据库，W重复使用（例如，预实验时使用、实际测量 时使用等等），从而降低工作负担。
[0047] 此外，该方法100可W在操作S103中确定至少一种能够对被测介质的光学性质产 生影响的干扰因素各自分别对光谱测量的干扰模式。
[0048] 在此，所谓"干扰模式"是指干扰因素所导致的干扰的规律。例如，干扰模式可W 限定多个径向位置处的干扰，即"径向位置"与"干扰"之间的关系或函数。运多个径向位 置可W是离散或连续的。当针对一个径向位置区间或者所有径向位置时，干扰模式可W构 成"作用线段"或"作用线"。由于光谱反映的是光强（或光强变化量），所干扰"可W 由干扰因素自身变化所导致的光强（绝对或相对）变化量来度量。如下所述，当干扰W光 强相对变化量来度量时，干扰模式（或作用线）可W实质上是线性的。某些干扰因素（例 如，系统漂移）在各径向位置处的干扰可W大致相同，运种情况下，其干扰模式或作用线可 W为平行于径向位置轴的直线。
[0049] 干扰例如可W如下确定。具体地，可W在一定的测量状态下，针对光学性质（具体 地，吸收系数、散射系数、各向异性因子、折射率等）与被测介质基本上相同的介质，保持其 他因素基本上不变，单独变化某一干扰因素，获得由该干扰因素变化导致的该介质的光谱 变化（例如，光强绝对或变化量），即，干扰。在此，所谓"测量状态"是指该因素自身的状 态。例如，在干扰因素为溫度的情况下，测量状态可W是指溫度的具体度数。
[0050] 例如，运种介质可W包括背景介质和一定浓度的特定成分，该浓度可W与被测介 质中特定成分的浓度不同，甚至可W为零（即，仅背景介质）。例如，在人体血糖测量的情况 下，空腹时的皮肤可W视为背景介质，此时初始血糖为相对的"0"浓度。另外，背景介质中 各成分的浓度也可W与被测介质中背景介质的各成分的浓度（略有）差别。此外，还可W 利用模拟被测介质的介质。例如，在无创血糖测试中，可W利用intralipid溶液+葡萄糖 来模拟被测介质（即，人体皮肤+血糖），并利用其来确定干扰。可W根据被测介质的光学 性质来制备模拟介质。
[0051] 在被测介质可操作的情况下，也可W将被测介质分成若干份，其中一份用于被测 介质自身的光谱测量，其他几份可W用于确定干扰因素的干扰。
[0052] 可W测定多个径向位置处的干扰，从而确定干扰模式。有利地，在利用光强相对变 化量的情况下，干扰模式可W呈实质上的线性变化，如下所述。目P，在光强相对变化量-径 向位置的坐标图中，作用线可W呈现大致直线或直线段的形式。在运种情况下，例如可W 通过测量至少两个径向位置处的干扰，利用线性拟合（或者，在略微偏离线性的情况下，利 用非线性拟合，特别是低阶非线性拟合例如二阶多项式拟合），来得到其他径向位置处的干 扰，或者整个"干扰模式"或"作用线"。进一步地，运种"干扰模式"或"作用线"可W利用 线性拟合得到的直线的斜率和截距来表示，或者可W利用非线性拟合如二价多项式拟合的 系数来表示。
[0053] 干扰模式的确定可W预先进行，从而可W针对多种因素和多种测量状态建立干扰 模式的数据库。
[0054] 但是，需要指出的是，操作SlOl与操作S103之间的顺序可W是任意的。 阳化5] 此外，该方法100还可W在操作S105中基于干扰模式，从漫射光谱数据中提取与 特点成分相关的信息（可称作"信号"）。在所提取的信号中，与所述至少一种干扰因素对 漫射光谱数据的干扰可W得W抑制。
[0056] 根据一个实施例，运种提取可W包括从漫射光谱数据中直接减去各干扰因素的干 扰。由于如上所述各因素之间是"加性"叠加的，运种直接相减是可行的。
[0057] 为此，可W基于干扰模式，确定所述至少一种干扰因素各自对漫射光谱数据的干 扰。例如，可W根据干扰模式，确定漫射光谱数据所设及的径向位置或者区间处的干扰。注 意，干扰模式所设及的径向位置或区间可W不同于漫射光谱数据所设及的径向位置或区 间。在运种情况下，例如可W通过上述线性拟合或非线性拟合，获得针对漫射光谱数据所设 及的径向位置或区间的干扰。然后，可W从各径向位置处的漫射光谱数据值中减去相应径 向位置处的干扰（或者，从一个区间的光谱数据线段中减去相应区间的干扰作用线段），获 得与特定成分相关的信息。
[0058] 另外，确定干扰模式时的测量状态可W不同于获得漫射光谱数据时的测量状态。 例如，在溫度干扰因素的示例中，可能在35°C的溫度下确定了溫度干扰模式或作用线，而在 37°C的溫度下测量漫射光谱数据。此时，需要在不同测量状态之间进行转换。具体地，可W 获得单一因素在多个第一测量状态下的相应多个干扰模式（或者，作用线簇）。可W对此 进行建模，获得测量状态与干扰模式（或作用线）的关系（例如，表现为关系曲线或者关系 式）。然后，可W确定测量漫射光谱数据时的第二测量状态，并根据第二测量状态，利用所 获得的关系（例如，代入所得到的关系曲线或关系式），确定该第二测量状态下的干扰模式 或作用线。或者，可W确定干扰因素单位变化下的干扰模式。例如，在溫度干扰因素的示例 中，可W确定溫度变化1度所导致的干扰模式（或作用线）。然后，可W确定测量漫射光谱 数据时的第二测量状态，并利用所获得的干扰因素单位变化下的干扰模式来确定该第二测 量状态下的干扰模式或作用线（例如，通过将干扰因素单位变化下的干扰模式乘W溫度变 化量）。在多种干扰因素的情况下，可W针对每一干扰因素分别进行同样的操作。
[0059] 根据另一实施例，还可W通过多变量回归，来提取光谱数据中与特定成分相关的 信息。例如，可W将多种例如所有可能影响测量的单一因素单独作用时的作用线簇，或者多 因素共同作用时的作用线簇，均与被测成分浓度建立关联的回归模型。作用线的表示方法 可W是任意两点或者斜率与截距等。在实际测量时，当多因素同时发生作用时，将测量得到 的综合因素作用线，输入到所建立的回归模型中，预测出被测成分的浓度。
[0060] 根据本公开的实施例，光谱测量可W在多个波长下进行，从而获得多个波长下的 光谱数据。在运种情况下，W上结合图1描述的操作可W针对运多个波长分别进行。从而 可W从多个波长的光谱数据中分别提取出信号。
[0061] W下，将进一步详细论述本公开技术的原理和概念。
[0062] 具体地，在波长A下的吸收系数和散射系数（不同波长下的吸收系数和散射系数 可W不同）可分另1|巧女为：
[0063] 巧）
[0064] 巧） W65] 其中，e I ( A )表示第i种成分在波长A下的摩尔消光系数，O W U )表示第i种 种成分的粒子在波长A下的单位散射截面，Ci表示第i种成分的浓度，且P 1表示第i种 成分的密度。
[0066] 在某种因素作用下吸收系数会发生变化，例如因素 j，它引起的吸收系数变化量 A y。,，（A)也是由于它直接或间接改变了被测对象中的某些成分的摩尔消光系数e (入） 和/或浓度C，最终改变了吸收系数。而当多种因素同时作用时，若各个因素之间的作用相 互独立，此时吸收系数的总的微变化量可W看作是运些因素单独作用的叠加结果，如公式 (3)所示。类似地，散射系数也可W看作所有单一因素下散射系数微变化量的综合结果，如 公式（4)所示。
[0067] !、巧 阳0側 C海
[0069] 其中，A y。,,（A)表示在波长A下因素 j导致的吸收系数变化量，A y S,.,a)表 示在波长A下因素 j导致的散射系数变化量。
[0070] 对于光谱检测而言，可W检测光强变化（例如，光学绝对变化量或相对变化量）， 而该光强改变是源于被测介质的光学参数改变。在此，只考虑吸收系数和散射系数，则光强 变化如公式巧）所示。
[0071]
(5)
[0072] 其中，AI(P)表示光强的绝对变化量，6化的/S啦表示径向位置P处光强随散射 系数Ws的变化率，A y ,表示散射系数的变化量，如知)/4?表示径向位置P处光强随吸 收系数y。的变化率，A y。表示吸收系数的变化量。
[0073] 考庶到《种巧素，公式化）可Pi曲写为：
[0074] 白)
[00巧]W血液成分检测为例，若其成分的主要变化因素为：葡萄糖浓度改变、溫度改变、 血红蛋白浓度/血氧改变=种时，公式（6)可W简化为：
[0076]
[0077] 其中，心W分别表示葡萄糖浓度变化引起的散射系数变化量和吸 收系数变化量，A iis,T(^)、A y。,T(A)分别表示溫度引起的散射系数变化量和吸收系数 变化量，且A iis,Hb(^)、A 分别表示为血红蛋白浓度值或血氧不同引起的散射系 数变化量和吸收系数变化量。
[0078] 为了分别表示上述=因素甚至更多因素的单一作用结果，定义了单因素作用线的 概念，如溫度作用线、葡萄糖作用线、血红蛋白作用线，并定义了综合作用线。运些单一因素 作用线用于表征在不同径向位置处单一因素引起的光强变化量，而综合作用线用于表征多 因素综合作用的结果，它被认为是运些单因素作用线的线性叠加结果（参考图2)。此外， 在每条作用线上又存在过零的径向位置，分别定义为溫度基准点、葡萄糖基准点、血红蛋白 /血氧基准点等等。运些径向位置分别对溫度、葡萄糖、血红蛋白/血氧的变化不敏感（或 者说，变化实质上为零），即运些因素发生改变时，运些位置的光强保持不变。运种基准点可 W通过实验获得，或者可W通过解析推导得出。例如，在W上引用的文献CN1699973A中，论 证了基准点的存在和确定方式。
[0079] 另外，为了方便分析所有径向位置P处的光强变化关系，可W采用光强的相对变 化量AI(p)/I(p)，而不是绝对变化量AI(p)。此时，各径向位置处的光强变化量可W 呈现线性或者近似线性的关系。在此需要指出的是，相对变化量和绝对变化量间可方便的 进行转换。
[0080] 图2示出了采用光强相对变化量的情况下的溫度作用线202、葡萄糖作用线204、 血红蛋白/血氧作用线206 W及综合作用线208。如图2所示，它们随径向位置P大致呈 现线性变化。溫度作用线202的过零点A表示溫度基准点，葡萄糖作用线204的过零点B表 示葡萄糖基准点，血红蛋白/血氧作用线206的过零点C表示血红蛋白/血氧基准点。此 夕F，综合作用线208的过零点表示综合基准点。
[0081] 在考虑单个干扰因素（例如，溫度）的情况下，存在一种简便的确定该干扰因素的 干扰模式（或，作用线）的方法。
[0082] 例如，如图2'所示，可W确定特定成分（例如，葡萄糖）的基准点B的位置化及该 干扰因素（例如，溫度）的基准点A的位置。另外，可W获得特定成分和该干扰因素共同作 用时的综合作用线208'(例如，上述被测介质的漫射光谱数据）。可W确定基准点B处该 综合作用线208'的值（图2'中B点处竖直虚线与综合作用线208'相交处的点），然后 将该点与该干扰因素的基准点A直接相连，即可得到该干扰因素的作用线（即，202)。
[0083] 若采用相对变化量，则公式（7)变为：
[0084]
[0085] 对于每一个单因素作用线，可W看作是该因素单独作用的结果，如葡萄糖浓度改 变时，它分别又引起了吸收系数和散射系数的改变，如公式巧）中第一项，其中匙V/6每和 瑪I.。/ 6?分别表示单位浓度的葡萄糖浓度引起的散射系数变化率和吸收系数变化率。其他 因素类似。需要说明的是血红蛋白的测量线，不仅仅由血红蛋白的真实浓度值变化引起，还 需包含血氧饱和度变化引起的部分，因此公式巧）中的浓度为等效浓度变化值，即两种因 素同时作用后，吸收系数和散射系数的变化等效为该浓度变化值引起。
[0086]
[0087] 公式（9)可W改写为公式（10)，每个因素变化量前面都有固定的系数，该系数是 随测量位置P变化的，且该系数为0时，即为单一因素测量的基准点。每个基准点的位置 是由该因素引起的吸收系数变化量和散射系数变化量的比例关系唯一确定的。
[0088]
(王巧
[0089] 公式（10)中ACg、AT、ACV等前面的系数k(P)均可W通过单一因素变化的 预实验获得。可W预先得到运些系数k(P)随着单一因素变化的规律，建立单一因素下的 预测模型。当获知测量时刻的单一因素值时，可将其代入模型，推出此时此刻该因素的作用 线。进一步，可在多因素综合作用时，将运些单一因素的影响一一扣除，而只获得特定成分 (葡萄糖）变化的作用线，得到"基本上纯特定成分（葡萄糖）作用线"，再进一步预测其浓 度。如公式（11)所示，其中TXwb'为当前状态的溫度和血红蛋白值，而TjjXhm'为参考状 态的溫度和血红蛋白值。
[0090]
(玉巧
[0091] 得到纯的葡萄糖作用线后，可在固定的一点或者多点组合进行葡萄糖浓度的测 量，葡萄糖基准点是对葡萄糖变化最不敏感的测量位置，而对葡萄糖变化灵敏的点应该选 在尽量远离葡萄糖基准点的位置。此时测量将去掉运些对光学参数有影响的干扰项，保障 测量的精度。
[0092] 在单一因素的作用线获取过程中，可进行简化，不需要所有测量点都进行测量，而 是测量少数几点位置（至少两点），可推出其他位置的结果。由于运些位置处的光强相对变 化量随径向位置P呈现线性变化或者近似线性的变化规律，所W该测量线可由少数几点 即可确定出来。
[0093] 下面将W散射介质测量理论中的漫射方程在无限介质、半无限介质中的稳态解简 单清晰地论证本技术的核屯、思想的可行性。
[0094] 在无限介质情况下，光通量O在无限介质中对于一个点光源情况下的解为： 阳0巧]
2.) W96] 其中，P为检测器与光源之间的径向距离；A为波长；ii。为吸收系数； y' S为约化散射系数，定义（1-g) Ws, g为各向异性因子，S为散射系数；D为光子 的扩散系数，D = (3[iia+(l-g)1=巧U a+y ' S)] eff为有效衰减系数，
[0097] 当某成分改变引起光学参数改变时，如引起吸收系数和散射系数的改变，则光强 的变化量为：
[0098]
[0099] 阳 100]
[0101] U引 阳 102] 阳103]因此，在某散射介质下，其光学参数发生微量改变时，光强的相对变化量与径向距 离呈线性变化，即A巫/巫OC P。 阳104] 当光学参数的变化由多种因素引起时，即A y。= A y &A+A y&e+A y。,。…W及 A iis' = A +A +A vs,c?…，则总的相对变化量为多种因素的总和： 阳1化]
[0106] 若ABC运些因素分别为：溫度、血红蛋白、葡萄糖时，则公式（17)变为： 阳 107]
[0108] 因此，运些因素的综合作用可W表示为单独的作用线的加和，如图3所示。若测量 对象为葡萄糖时，可W预先将溫度、血红蛋白的作用线通过模拟或实验的方法获得，然后进 行扣除，得到"纯葡萄糖"的作用线，进一步用于葡萄糖浓度的反演。
[0109] 另一方面，在半无限介质外推边界情况下，漫射方程的稳态解为R(p )，其中ri为 距离光源的检测距离，。为距离镜像的负光源的距离。
阳110] (巧） 阳111] 其中Z为检测器距离 表面的深度，对于公式（19)，Z = 0, R( P )是表面的漫反射光量；Z。为点光源与边界的距离， Zb为外推的边界与真实边界的距离。
[0112] 当光学参数发生变化时，光强变化量也可W表示为：
[0117] 若ABC运些因素分别为：溫度、血红蛋白、葡萄糖时，则公式（17)变为： 阳11引 巧巧
[0114] 悼巧 阳11引 则 阳116] 鱗： 阳11引
[0119] 因此，运些因素的综合作用可W表示为单独的作用线的加和，如图4所示。若测量 对象为葡萄糖时，可W预先将溫度、血红蛋白的作用线通过模拟或实验的方法获得，然后进 行扣除，得到"纯葡萄糖"的作用线，进一步用于葡萄糖浓度的反演。
[0120] W上论述了单一影响因素的作用线合成为多因素作用线的理论基础，明确地看到 不同作用线为"加性"叠加的现象；且在不同径向检测距离下单一因素作用线呈现的线性或 近似线性的特点。 阳121] W下，将通过一些仿真结果进一步论述本公开技术的原理。
[0122] 首先，针对无限介质的情况进行仿真。具体地，W浓度为2%的intralipid溶液作 为模型，对波长ieOOnm下的漫反射出射光随葡萄糖浓度和溫度的改变情况进行仿真。葡萄 糖浓度变化范围为0~IOOmM,间隔为20mM ;溫度变化范围为32°C~35°C，间隔为0. 5°C ; 溫度变化时吸收系数和散射系数的变化量分别为： 阳 12引 A iia(16〇〇nm) =-0. 0037T+0. 1081 (24) 阳 124] A Ws= 4. 7X10 3°C Ix ATX (25) 阳 125]分别仿真溫度在 32. 5 °C、33 °C、33. 5 °C、34 °C、34. 5 °C 和 35 °C 下纯 2 % 的 intralipid溶液的光强分布结果，并计算运些溫度下相对于初始溫度为32°C时的相对光 强变化量，得到如图5所示的在不同径向检测距离下的溫度作用线图，即单一溫度作用线。 从图中可W看出，作用线为随径向检测距离变化的线性直线。运些线簇相交于溫度基准点 处。 阳1%] 又分别取葡萄糖浓度为20、40、60、80、100mM时，溫度保持32度不变时，获得单一 的葡萄糖作用线（相对于葡萄糖浓度为0时的相对光强变化量），如图6所示，它们相交于 葡萄糖基准点处。
[0127] 当葡萄糖浓度为20mM时，溫度从32. 5度至35度变化时，可W获得综合因素作用 线，如图7所示。类似地，其他葡萄糖浓度下，均可W获得综合因素作用线。 阳12引 针对葡萄糖为20mM时在溫度为32. 5°C、33°C、33. 5°C、34°C、34. 5°C和35°C下的仿 真结果，分别减去单一的各个溫度下的作用线，可W将其修正为纯20mM的葡萄糖作用线， 如图8所示。
[0129] 对其他葡萄糖浓度的在不同溫度下的作用线均采用类似的方法进行扣除溫度作 用线，均得到了较好的修正效果，如图9所示。
[0130] 另外，若采用扣除干扰因素的第二种方法，即将运些影响因素下的综合作用线输 入数学模型进行分解，也可W得到较好的预测效果。将葡萄糖为0mM、20mM、40mM、60mM、 8〇1111、10〇1111时分别在溫度为32.5°(：、33°(：、33.5°(：、34°(：、34.5°(：和35°(：下的仿真结果，相 对于32度OmM葡萄糖的仿真结果计算相对光强变化量，得到分别的作用线簇，在运些作用 线簇在0. 1-3. 5mm的值，间隔为0. 1mm，作为光谱数据，与葡萄糖浓度建立主成分回归模型。 建模结果表明，该模型对校正集的葡萄糖预测MSEP仅为2-3mM。 阳13U 上述结果仅为ieOOnm单一波长下的溫度因素消除结果，还可W将多波长分别进 行上述的干扰因素扣除，或者将多波长下的干扰因素混合作用时的作用线输入浓度预测模 型。多波长下的浓度预测结果将优于单一波长下的结果。
[0132] 此外，还针对半无限介质的情况进行仿真。具体地，同样W浓度为2%的 intralipid溶液作为模型，对波长ieOOnm下的漫反射出射光随葡萄糖浓度和溫度的改变 情况进行仿真。葡萄糖浓度变化范围为0~IOOmM,间隔为20mM ;溫度变化范围为32°C~ 35°C，间隔为0. 5°C;溫度变化时吸收系数和散射系数的变化量同公式24和25 ;入射光子数 为1〇11，W经过样品后漫反射出射得到的绝对光子数作为出射光。 阳 133]分别仿真溫度在 32. 5 °C、33 °C、33. 5 °C、34 °C、34. 5 °C 和 35 °C 下纯 2 % 的 intralipid溶液的在不同径向检测距离下的光强分布结果，并计算运些溫度下相对于初始 溫度为32°C时的相对光强变化量，得到如图10所示的在不同径向检测距离下的溫度作用 线图，即单一溫度作用线。从图中可W看出，作用线为随径向检测距离变化的线性直线。运 些线簇基本相交于溫度基准点处。
[0134] 又分别取葡萄糖浓度为20、40、60、80、100mM时，溫度保持32度不变时，获得单一 的葡萄糖作用线，如图11所示，它们相交于葡萄糖基准点处。
[0135] 当葡萄糖浓度为20mM时，溫度从32. 5度~35度变化时，可W获得综合因素作用 线，如图12所示。类似地，其他葡萄糖浓度下，均可W获得综合因素作用线。 阳136] 针对葡萄糖为20mM时在溫度为32. 5°C、33°C、33. 5°C、34°C、34. 5°C和35°C下的仿 真结果，分别减去单一的各个溫度下的作用线，可W将其修正为纯20mM的葡萄糖作用线， 如图13所示。
[0137] 对其他葡萄糖浓度的在不同溫度下的作用线均采用类似的方法进行扣除溫度作 用线，均得到了较好的修正效果，如图14所示。
[0138] 图15示出了利用光谱数据进行浓度预测的一般原理。如图15所示，可W向背景 介质或基准介质（包括背景介质W及初始浓度的特定成分）中加入一系列已知浓度{CJ的 特定成分，分别获得其相应的光谱数据U(P))}。根据运些已知浓度的数据集合案和相应 光谱数据的集合牽，可W建立预测模型M。然后，对于背景介质或基准介质中特定成分的未 知浓度（或浓度变化）C' 1，可W获得其相应的光谱数据1' (P)("Y")。根据1' (O) 和预测模型M，可W预测浓度（"X")。
[0139] 如上所述，光谱数据可W包括各种合适的数据，如漫反射和/或漫散射光的光强 绝对变化或相对变化。
[0140] 在建模时，可W测量背景介质或基准介质的光谱作为初始光谱，并可W测量加入 已知浓度{CJ的特定成分后的光谱作为测量光谱，并可W据此来获得光强变化信息。在预 测时，同样可W测量背景介质或基准介质（基准介质中特定成分的初始浓度可W与建模时 基准介质中特定成分的初始浓度可W相同或不同）的光谱作为初始光谱，并可W测量特定 成分浓度变化后的光谱作为测量光谱，并可W据此来获得光强变化信息。预测获得的可W 是浓度相对值（即，浓度变化量），并可W加上初始值（在背景介质的情况下，为0 ;在基准 介质的情况下，为所述初始浓度）来得到浓度预测值。 阳141] 根据本公开的实施例，可W对运些光谱数据进行上述干扰抑制处理，W有效消除 干扰因素的影响。可W采用化学计量学方法来建立预测模型M。例如，可W对差分处理后的 数据采用偏最小二乘任L巧法建模。 阳142] 预测模型M可W针对背景介质/基准介质和特定成分预先建立，并保存在例如数 据库或者服务器中。可W在需要时从数据库或服务器获取预测预测模型M。 阳143] 在此，提出了运样一种建模和/或浓度预测方法。参考图16,该方法1600可W在 操作S1601获得漫射光谱数据。例如，在建模时，可W针对加入了已知浓度{CJ的特定成 分后的背景介质或基准介质，获得光谱数据（例如，相对于加入特定成分前的光强变化信 息）；在预测时，可W针对其中特定成分浓度发生了变化的背景介质或基准介质，获得光谱 数据（例如，相对于特定成分浓度变化前的光强变化信息）。接着，在操作S1603,可W对光 谱数据进行如上所述的干扰抑制处理，W提取信号。然后，在操作S1605,可W利用提取的信 号，来进行建模或者预测。该方法1600在应用于建模和应用于预测时基本相同，区别在于： 在建模时，特定成分的浓度已知，并根据浓度（X巧P光谱数据（Y )来得到预测模型（M);而 在预测时，特定成分的浓度（或浓度变化）未知，并根据光谱数据（Y)和预测模型（M)来得 到预测浓度（或浓度变化）狂)。
[0144] 根据本公开的实施例，运种建模/预测方法可应用于人体无创伤血糖浓度测量。 运种情况下，探测光的波长可W在约1. 0-2. 4微米的范围。
[0145] 根据本公开的实施例，还提供了一种处理装置。参见图17,该处理装置1700可W 包括探测器1701 (例如，光强探测器），配置为探测被测介质的光谱（例如，沿径向位置的光 强）。探测器1701可W包括固定于一个或多个径向位置处W测量该一个或多个径向位置处 光谱的相应一个或多个探测器，或者可W包括可沿径向位置移动W测量一个或多个径向位 置处光谱的探测器。 阳146] 该处理装置还可W包括处理器1703。处理器1703可W配置为对探测器1701探测 到的光谱进行干扰抑制。运种干扰抑制例如可W如上所述进行。 阳147] 处理器1703例如可W包括各种形式的计算设备，例如通用计算机、专用集成电路 (ASIC)、现场可编程口阵列（FPGA)等。处理器1703可W通过加载存储于存储装置中的程 序、代码段等，来按如上所述的各种方法流程工作，W实现干扰抑制、模型建立和浓度预测。
[0148] 该处理装置还可W包括输入设备1705,例如鼠标、键盘等，用W输入用户命令、数 据等，化及输出设备1707,例如显示器等，用W输出处理器1703的处理结果（例如，预测结 果等）。输入设备1705和输出设备1707可W组合实现为触摸屏。
[0149] 本公开的技术也可W实现为包括能够在数据处理设备中执行的算法的程序，或可 W存储并提供在非暂时计算机可读介质中。
[0150] 本公开的技术也可W实现为计算机可读介质上的计算机可读代码。计算机可读介 质可W包括计算机可读记录介质和计算机可读传输媒介。计算机可读记录介质是能够将数 据存储为随后可由计算机系统读取的程序的任何数据存储装置。计算机可读记录介质的示 例包括只读存储器（ROM)、随机存取存储器（RAM)、压缩盘ROM(CD-ROM)、磁带、软盘和光数 据存储装置。计算机可读记录介质也可W分布在联网的计算机系统上，使得按照分布式形 式存储和执行计算机可读代码。计算机可读传输介质可W通过载波或信号传输（例如，经 由互连网的有线或无线数据传输）。此外，实现本公开技术的功能程序、代码和代码段可W 由本发明总体构思所属技术领域的编程员容易地解释。 阳151] W上在多个实施例分别描述了本公开的多种特征。但是，运并不意味着运些特征 不能有利地结合使用 阳152] W上对本公开的实施例进行了描述。但是，运些实施例仅仅是为了说明的目的，而 并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公 开的范围，本领域技术人员可W做出多种替代和修改，运些替代和修改都应落在本公开的 范围之内。
【主权项】
1. 一种光谱数据干扰抑制方法，包括： 确定至少一种干扰因素各自对光谱测量的干扰模式，所述干扰模式限定距离光源的多 个径向位置处的干扰； 获得包含特定成分的被测介质的漫射光谱数据；以及 基于干扰模式，从漫射光谱数据中提取与特定成分相关的信息，其中，在所提取的信息 中，抑制了与所述至少一种干扰因素对漫射光谱数据的干扰。2. 根据权利要求1所述的方法，其中，针对每一干扰因素，其干扰以该干扰因素单独变 化而导致的光强相对变化量来度量。3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述干扰模式包括随径向位置的实质上线性变 化。4. 根据权利要求3所述的方法，其中，针对单个干扰因素，确定该干扰因素的干扰模式 包括： 确定特定成分的基准点位置以及该干扰因素的基准点位置，其中所述特定成分的基准 点位置指示光谱数据中的光强信息对被测介质中特定成分的浓度改变实质上不敏感的径 向位置，所述干扰因素的基准点位置指示光谱数据中的光强信息对干扰因素的变化实质上 不敏感的径向位置； 根据所述特定成分的基准点位置处的漫射光谱数据值以及所述干扰因素的基准点位 置，确定该干扰因素的干扰模式。5. 根据权利要求2所述的方法，其中，确定干扰模式包括： 测量由该干扰因素导致的在至少两个径向位置处的干扰；以及 利用线性或非线性拟合，获得由该干扰因素导致的在所述多个径向位置处的干扰。6. 根据权利要求5所述的方法，其中， 在线性拟合的情况下，利用斜率和截距来表示所述干扰模式；或者 所述非线性拟合包括二阶多项式拟合，且利用二价多项式拟合的系数来表示所述干扰 模式。7. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述漫射光谱数据包括特定成分的浓度为第一 浓度时的光强与特定成分的浓度为第二浓度时的光强之间的光强绝对变化量或相对变化 量。8. 根据权利要求1所述的方法，其中，提取信息包括： 基于干扰模式，确定所述至少一种干扰因素各自对漫射光谱数据的干扰；以及 从漫射光谱数据中分别直接减去所述至少一种干扰因素各自对所述漫射光谱数据的 干扰。9. 根据权利要求8所述的方法，还包括： 获得所述至少一个干扰因素在多个第一测量状态下的相应多个干扰模式，并建立所述 至少一个干扰因素的干扰模式与测量状态之间的关系； 确定测量光谱数据时的第二测量状态；以及 基于所建立的关系，确定在第二测量状态下所述至少一个干扰因素各自的干扰。10. 根据权利要求1所述的方法，其中，提取信息包括：通过多变量回归，获得漫射光谱 数据中与特定成分相关的信息。11. 根据权利要求10所述的方法，其中，多变量回归包括：针对多种单一因素单独作用 时的干扰模式或者所述多种因素共同作用时的干扰模式，建立与所述特定成分相关联的回 归模型。12. 根据权利要求1所述的方法，其中，干扰因素包括影响被测介质的吸收系数和/或 散射系数的因素。13. 根据权利要求12所述的方法，其中，干扰因素包括温度和/或系统漂移。14. 根据权利要求1所述的方法，其中，针对多个波长，分别进行所述确定干扰模式、获 得光谱数据和提取相关信息的操作。15. -种建立预测模型的方法，包括： 提供一系列被测介质，所述一系列被测介质分别包括背景介质或基准介质以及向背景 介质或基准介质中加入的不同已知浓度的特定成分，其中所述基准介质包括背景介质以及 初始浓度的该特定成分； 针对所述一系列被测介质，按权利要求1-14中任一项所述的方法进行处理；以及 基于各已知浓度以及提取的信息，获得预测模型。16. -种浓度预测方法，包括： 针对被测介质，按权利要求1-14中任一项所述的方法进行处理，其中被测介质包括背 景介质或基准介质，其中基准介质包括背景介质以及初始浓度的特定成分，由于特定成分 的浓度变化而导致被测介质中该特定成分的浓度未知；以及 基于提取的信息以及预测模型，预测所述特定成分的浓度。17. 根据权利要求16所述的浓度预测方法，其中所述预测模型根据权利要求15所述的 方法得到。18. 根据权利要求15或16所述的方法，用于人体无创伤血糖浓度测量。19. 一种处理装置，包括： 探测器，用以探测包含特定成分的被测介质对探测光的漫射光谱数据；以及 处理器，被配置为基于至少一种干扰因素各自对光谱测量的干扰模式，从漫射光谱数 据中提取与特定成分相关的信息，其中，所述干扰模式限定距离光源的多个径向位置处的 干扰，且在所提取的信息中，抑制了与所述至少一种干扰因素对漫射光谱数据的干扰。
【文档编号】G01J3/28GK105987881SQ201510097813
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年3月5日
【发明人】徐可欣, 刘瑾
【申请人】天津先阳科技发展有限公司