双波长光声特征谱无创动态血糖检测仪关键技术研究

Based on photoacoustic spectroscopy of fingerprint character, this project is committed to the development of noninvasive dynamic blood glucose detector. The main contents and innovation researches include: 1) The characterization of light absorption properties in dermal cell and subsurface cell tissues. 2) Photoacoustic transfer mechanism of glucose solution under different concentration. 3) The analysis of acoustic signal transmission characteristic in multi-layer soft tissue like adipose, indirect liquid and dermis. 4) The fractional spectral imaging and high-order difference spectrum equalization detection method of weak photoacoustic signal. By solving the aforementioned key technical problem, the prototype of noninvasive dynamic blood glucose detector can be successfully developed, with the property of good linearity, high accuracy, real-time, no environmental limitation and low cost. This project is intended to meet the following specifications: 1) Noninvasive continuous measurement with no less than 120 accurate blood glucose data acquired in one hour. 2) Detection accuracy meets the FDA standard in USA:relative error less than 15% (4.2mmol/L≤ blood glucose level< 22mmol/L). 3) Error detection rate < 5% under Clarke error grid analysis. 4) Suitable for working in room temperature (12℃~28℃) and hardly affected by external temperature. The successful development of this equipment can establish the theoretical and experimental foundation for non-invasive, continuous, accurate and real-time detection of dynamic blood glucose meter.

基于指纹特性的光声谱技术，开展无创动态血糖检测仪关键技术研究。主要内容包括：1）人体真皮和亚表层细胞组织对光吸收特征的表征； 2）不同浓度下的血糖溶液光声转换机理研究；3）脂肪、间接液及真皮层等人体多层软组织对声信号的传输特性分析； 4）微弱光声信号的分数域频谱成像及高阶差分谱均衡和弱信号检测等。通过解决以上关键科学与技术问题，实现无创动态血糖检测仪实验样机，使其具备线性度好、测量准确、实时性好、对环境要求低及成本低等优点。拟达到以下技术指标：1）适合无创连续测量，1小时可得到准确血糖值>120个数据；2）检测精度达到相对误差小于15%（FDA标准：4.2mmol/L≤血糖水平<22mmol/L范围）； 3）使用Clarke误差网格分析，检错率<5%；4）受环境温度影响小，适用于室温(12℃~28℃)。通过该项目的研究，为实现无创伤，连续，准确且实时检测的动态血糖仪奠定理论和实验基础。

本课题基于指纹特性的光声谱技术，开展无创动态血糖检测仪关键技术研究。主要内容包括: 1）人体真皮和亚表层细胞组织对光吸收特征的表征；2）不同浓度下的血糖溶液光声转换机理研究；3）脂肪、间接液及真皮层等人体多层软组织对声信号的传输特性分析；4）微弱光声信号的分数域频谱成像及高阶差分谱均衡和弱信号检测等。通过解决以上关键科学与技术问题，实现无创动态血糖检测仪实验样机，使其具备线性度好、测量准确、 实时性好、对环境要求低及成本低等优点。.经课题组全体人员4年多的技术攻关和深入地探索研究，取得了一系列创新研究成果。1）搭建了多种光声探测血糖检测相关的信号采集平台，开展了大量验证性试验，获得了后期检测实验可用的血糖信号数据，开展了真皮和亚表层细胞组织对光吸收特征的表征实验、在不同浓度的血糖溶液光声转换机理研究以及脂肪、间接液、真皮层等多层软组织对声信号的传输特性。2）提出了基于稀疏表示的光声信号增强与弱信号检测、基于高阶差分的光声信号谱增强及分数域频谱特性建模技术。3）提出了基于证据回归和波形特征的血糖检测方法以及基于BP神经网络回归和支持向量回归模型的血糖校正方法，取得了较好的检测性能，提升了血糖浓度的检测精度。4）建立光声谱无创伤动态血糖仪检测算法的数学模型及评价机制，为后续临床应用奠定了基础。.综上，课题组完成了项目申请书和计划书的全部内容。此外，在光声信号的采集和传输机理、不同浓度血糖溶液光声转换，以及微弱光声信号检测系统搭建和算法设计等方面提出了一系列创新研究思路和方法技术，进一步提升了无创动态血糖光声信号检测性能及临床应用效果。研究成果采用本项目自行设计和研制的设备进行了用于算法测试的数据采集，验证了本课题研究成果的有效性和可行性。本项目取得的研究成果，具有较好的临床应用前景。