CN109984725A - 漫反射测量中接触压力干扰抑制方法、装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种漫反射测量中接触压力干扰抑制方法，包括：获取接触压力在光谱测量中多个径向位置处产生的干扰；选取干扰最小的径向位置作为压力不敏感位置，以该压力不敏感位置为测量位置获取光谱数据，以抑制接触压力对光谱数据的影响。进一步提供了用于实现该抑制方法的装置以及基于该抑制方法的测量方法。本发明可降低测量过程压力波动造成的干扰，无需增加额外的压力控制装置，使测量结果更为可靠。

Description

漫反射测量中接触压力干扰抑制方法、装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光谱检测领域，尤其涉及一种漫反射测量中接触压力干扰抑制方法、装置及测量方法。

背景技术

漫反射光谱(Diffuse reflectance spectroscopy，DRS)常用于生物组织的无创检测，如癌症诊断和治疗、烧伤深度评估、健康和病态牙组织分类以及血糖监测等。漫反射光谱一般由光纤探头接触被测组织来获得。但是，在漫反射测量中，即使是轻微的接触压力变化都会给被测皮肤组织的光学参数以及漫反射光强带来显著影响，由此降低光谱定性或定量的评定性能。

针对上述问题，对离体组织测量时，早期采用的是弹簧加压装置，依据压力与弹簧被压长度的线性关系，通过压缩标定过的弹簧对样本施加一定的压力。在这种方式下，压力大小的准确性非常依赖操作人员的熟练程度，同时接触压力也会在预期压力值附近发生较大波动。针对上述缺点，有研究组利用固定重量的砝码替换手工操作，以此保持压力的稳定。该方法能在一定程度上减小压力的波动，但针对不同的接触压力需要更换不同重量的砝码，增加了实验的复杂性，同时固定的砝码重量也限制了控制装置可以施加压力的量程。当前，对接触压力的控制主要采用自动控制系统，该系统利用压力传感器实时测量探头与被测组织之间的接触压力值，控制系统根据反馈信息调节探头与被测皮肤组织之间的接触状态。该方法能大幅度消除弹簧式压力控制方法存在的问题。然而，由于压力传感器的位置并非安装于漫反射光谱与光纤耦合位置，因而通过传感器获得接触压力会存在一定的不准确性。

当前为消除压力变化对测量的影响，主要从压力控制系统出发，对接触压力进行一定的控制，减小接触对皮肤组织参数的影响，从而提高光谱信号采集的稳定性。但是在实际人体测量中，一方面如上文所述传感器输出的接触压力信号不能真实反映接触压力值；另一方面实验所采用的接触压力值的选取会存在个体及测量部位的差异，为保证测量再现性，每次实验前需要对接触压力重新设定，增加了实验的操作复杂性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种漫反射测量中接触压力干扰抑制方法、装置及测量方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种漫反射测量中接触压力干扰抑制方法，包括：获取接触压力在光谱测量中多个径向位置处产生的干扰；选取干扰最小的径向位置作为压力不敏感位置，以该压力不敏感位置为测量位置获取光谱数据，以抑制接触压力对光谱数据的影响。

优选地，所述干扰以接触压力单独变化产生的漫反射光强值的变化量来度量。

优选地，所述漫反射测量是用于生物组织的无创检测，所述漫反射光强值的变化量通过Monte Carlo模拟试验来确定，具体包括以下步骤：基于三层皮肤组织模型，设定光源波长、接触压力和径向位置，以确定Monte Carlo模拟所需的组织光学参数和组织力学参数；通过Monte Carlo模拟分别获取至少一个光源波长、至少两个接触压力和多个径向位置下的漫反射光强值；在同一光源波长和同一径向位置下计算第二接触压力相对于第一接触压力的漫反射光强值的变化量。

优选地，所述三层皮肤组织模型通过以下方式建立：

设定表皮层、真皮层和皮下组织的厚度；

忽略除真皮层厚度外的其余组织力学参数随不同接触压力的变化，并且所述真皮层厚度的计算公式为：

其中，ε_D为皮肤组织厚度应变，υ为皮肤组织的泊松比；D为各层皮肤组织的初始厚度；ΔD为接触压力引起的皮肤组织厚度变化量；E为皮肤组织杨氏模量；S为光纤探头与被测组织之间的接触面积；以及

忽略除真皮层散射系数外的其余组织光学参数随不同接触压力的变化，并且真皮层散射系数的计算公式为：

其中，μ_s0为未施加压力时真皮层散射系数，μ_s为真皮层散射系数。

优选地，所述漫反射光强值的变化量通过实际在体试验来确定，具体包括以下步骤：针对被测对象分别获取至少一个光源波长、至少两个接触压力和多个径向位置下的漫反射光强值；在同一光源波长和径向位置下计算第二接触压力相对于第一接触压力的漫反射光强值的变化量。

优选地，所述接触压力的大小通过控制光纤探头挤压被测对象的步进距离进行调整。

优选地，选取干扰最小的径向位置的步骤具体包括：在同一光源波长和接触压力下通过不规则折线或拟合曲线将漫反射光强值的变化量和径向位置相关联；将不同光源波长下随接触压力的变化漫反射光强值的变化量为0时的径向位置分别作为各光源波长的干扰最小的径向位置。

优选地，所述光源波长为1000～2500nm。

根据本发明的另一个方面，提供了一种抑制接触压力干扰的漫反射光谱测量方法，包括：按照上述的抑制方法获取不同光源波长下压力不敏感位置，在该压力不敏感位置处检测光谱，以进行压力干扰抑制；针对被测对象，建立压力不敏感位置处的漫反射光谱数据与被测成分浓度模型，实现被测成分浓度的测量。

优选地，当某一光源波长下不存在压力不敏感位置时，所述漫反射光谱测量方法还包括在建立浓度模型前，在该光源波长下进行漫反射光谱数据修正的步骤，具体包括：基于已获取的压力不敏感位置，在该光源波长下向被测对象施加不同接触压力，获取不同接触压力产生的干扰；根据所述干扰确定一阈值，所述阈值为能够接受的最大干扰下的漫反射光谱数据；在该光源波长下筛除超出阈值的漫反射光谱数据。

优选地，所述模型为通过偏最小二乘回归法建立的漫反射光谱数据与被测成分浓度的多变量回归模型。

优选地，所述被测成分为蛋白质、血糖或脂肪；所述被测对象为人体皮肤。

根据本发明的又一个方面，提供了一种漫反射测量中接触压力干扰抑制装置，包括：光源；光纤探头，所述光纤探头相对于被测对象的位置可调，包含：入射光纤，用于向被测对象输出光源的光；以及多个出射光纤，相对于入射光纤具有多个径向位置，用于接收被测对象的漫反射光；检测器，用于将检测到的所述漫反射光的光信号转换为电信号；以及处理器，用于对所述电信号进行处理获取接触压力在多个径向位置处产生的干扰，并通过比较大小获得接触压力干扰最小的径向位置。

优选地，所述光纤探头为多环光纤束结构，以所述入射光纤为中心，在不同的径向位置处环状布设出射光纤。

优选地，所述光纤探头固定于能够精密调整步进距离的位移平台上。

优选地，所述接触压力干扰抑制装置用于生物组织的无创检测，且所述处理器确定接触压力干扰最小的径向位置的步骤具体包括：通过不规则折线或拟合曲线分别将同一接触压力下的漫反射光强值的变化量和径向位置相关联；将不同接触压力下漫反射光强值的变化量为0时的径向位置作为干扰最小的径向位置。

优选地，获取所述漫反射光强值的变化量的步骤具体包括：针对被测对象分别获取至少一个光源波长、至少两个接触压力和多个径向位置下的漫反射光强值；在同一光源波长和径向位置下计算第二接触压力相对于第一接触压力的漫反射光强值的变化量。

优选地，所述光源波长为1000～2500nm。

基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)基于压力不敏感位置测量人体中特定被测成分，可降低测量过程压力波动造成的干扰，无需增加额外的压力控制装置，使测量结果更为可靠；

(2)在压力不敏感位置处测得的光强数据信噪比高、数据稳定性好，使受干扰的影响更小；

(3)提供了Monte Carlo模拟获取压力不敏感位置的方法，证实了压力不敏感位置的存在性，并且在压力不敏感位置处的光强信号与待测成分的浓度有很好的相关性，通过合理的参数选择，可获得接近人体实测的压力不敏感位置；

(4)提供了实际人体试验获取压力不敏感位置的方法，进一步证实了压力不敏感位置的存在性，在此基础上建立特定对象的测量模型，使针对特定对象的测量过程所受干扰达到最小。

附图说明

图1是本发明的漫反射测量中接触压力干扰的抑制方法的流程示意图；

图2是本发明第一实施例中通过Monte Carlo模拟获取压力不敏感位置的流程示意图；

图3(a)是本发明第一实施例中通过Monte Carlo模拟所得1050nm波长下的压力不敏感位置的结果图；

图3(b)是本发明第一实施例中通过Monte Carlo模拟所得1660nm波长下的压力不敏感位置的结果图；

图4是发明第二实施例的漫反射测量中接触压力干扰抑制装置的结构示意图；

图5是本发明第二实施例中通过实际在体试验获取压力不敏感位置的流程示意图；

图6(a)是本发明第二实施例中通过实际在体试验所得波长在1050nm下的压力不敏感位置的结果图；

图6(b)是本发明第二实施例中通过实际在体试验所得波长在1219nm下的压力不敏感位置的结果图；

图6(c)是本发明第二实施例中通过实际在体试验所得波长在1314nm下的压力不敏感位置的结果图；

图7是本发明第二实施例中不同波长下在体测量的漫反射光强的信噪比随径向位置变化的结果图；

图8是本发明第二实施例中为验证压力不敏感位置的有效性的在体OGTT的流程图；

图9(a)～9(f)是本发明第二实施例中分别根据检测器1至6所得的光谱数据建立的PLSR预测模型的血糖浓度预测值与血糖浓度参考值结果散点图；

图10是本发明第三实施例中漫反射光谱测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

在漫反射接触测量中，接触压力变化会使得皮肤组织发生形变，致使内部成分含量及分布发生变化，进而导致光学参数发生变化，最终影响光谱数据发生变化，使得光谱数据与被测成分浓度的相关性受到影响。

本发明公开了一种漫反射测量中接触压力干扰抑制方法、装置及测量方法，该抑制方法可通过Monte Carlo模拟或实际在体试验进行，基于该抑制方法获取压力不敏感位置，并以该位置为测量位置检测漫反射光，可减小在漫反射测量过程中接触压力波动造成的干扰，增强了光谱数据与被测成分浓度的相关性，使测量结果更为可靠。

如图1所示，一种漫反射测量中接触压力干扰抑制方法流程示意图，包括：

步骤101：获取接触压力在光谱测量中多个径向位置处的干扰。

其中，径向位置即为光谱测量位置相对于光源所在的位置，本发明中以距离来衡量；在各径向位置处获得的漫反射光强值反映了如压力、温度、特定成分(如血糖)等各种因素的共同作用，而当接触压力单独变化时，产生的漫反射光强值的变化量则反映了接触压力在光谱测量中产生的干扰。

步骤102：选取干扰最小的径向位置作为压力不敏感位置，以该压力不敏感位置为测量位置检测漫反射光信号，来抑制接触压力对光谱数据的干扰。

其中，基于干扰和径向位置之间的关系，本发明发现并验证了存在一压力不敏感位置，在该压力不敏感位置处，漫反射光强值不随接触压力的改变发生明显变化。

该压力不敏感位置可通过Monte Carlo模拟试验和实际在体试验获得，即可通过Monte Carlo模拟试验和实际在体试验实现接触压力干扰抑制方法。

第一实施例

首先对Monte Carlo模拟试验进行说明，如图2所示，作为第一实施例，该MonteCarlo模拟试验包括以下步骤：

步骤101a：建立三层皮肤组织模型，获取Monte Carlo模拟所需的组织光学参数和组织力学参数。

Monte Carlo模拟是一种主要用于处理各种媒介在不同条件下粒子输运问题的统计学方法，也是目前处理光子在皮肤组织传输问题最有效、最准确的随机统计方法。对生物组织而言，Monte Carlo模拟通过建立光子入射皮肤组织相对应的随机过程或概率模型，计算每一个微小计算单元，利用统计学方法求得参数的统计特征作为数值解。

当给定皮肤组织光学参数以及边界条件，就可以利用Monte Carlo模拟出光子在皮肤组织中的运动路径，因此，本发明建立了三层皮肤组织模型，并通过设定光源波长、接触压力和径向位置，确定三层皮肤组织模型中的组织光学参数以及组织力学参数，其中，组织光学参数包括各皮肤层散射系数、吸收系数、折射率和各向异性因子；组织力学参数包括各皮肤层厚度、杨氏模量、泊松比和应变与应力的线性关系。该三层皮肤组织模型的建立的步骤具体包含：

基于皮肤组织的上述力学特性，可以建立皮肤组织厚度应变ε_D与探头-组织接触压力F简化模型：

式中，系数υ为皮肤组织的泊松比；D为各层皮肤组织的初始厚度；ΔD为接触压力引起的皮肤组织厚度变化量；E为皮肤组织杨氏模量；S为光纤探头与被测组织之间的接触面积。

由于测量过程主要反映的是表皮层、真皮层的作用，因此可忽略皮下组织厚度变化产生的干扰，另外，在皮肤组织中相较于真皮层，表皮层具有较薄厚度及较大的杨氏模量，因此在分析接触压力对测量结果的影响时，可以忽略表皮层厚度变化的干扰，主要研究真皮层厚度变化所引起的测量误差。

真皮组织散射系数μ_s与组织内散射颗粒的密度ρ关系如下：

μ_s＝ρσ_s； (2)

式中σ_s为粒子的散射截面。

当真皮层厚度D_d受压力作用减小ΔD_d时，组织内可移动液体含量减小，散射颗粒密度ρ增大，组织散射系数μ_s增大。因此，接触压力影响下真皮层散射系数μ_s的变化计算公式如下：

结合公式(1)可以得到真皮层散射系数μ_s与压力F之间的关系式：

式中μ_s0为未施加压力时真皮层散射系数。

基于上述三层皮肤组织模型，在本实施例中，设置表皮层、真皮层和皮下组织的厚度分别为0.3mm，1mm和无穷大，光子数为10⁸。波长为1050nm，测量压力F变化范围为0～0.6N(间隔0.1N)时，径向位置为0.3～2mm(间隔0.1mm)处的漫反射光强。其中，确定了具体波长，即可根据本技术领域中已有的文献记载，确定在无接触压力下各皮肤层的组织光学参数和组织力学参数，因接触压力改变后的真皮层厚度和真皮层散射系数可分别根据式(1)和式(4)进行计算，由此可进行Monte Carlo模拟试验，获得光谱数据。

步骤101b：通过Monte Carlo模拟试验，获取至少一个光源波长、至少两个接触压力和多个径向位置下的漫反射光强值。

在本实施例中，即为获取波长为1050nm，测量压力F变化范围为0～0.6N(间隔0.1N)，径向位置为0.3～2mm(间隔0.1mm)时的漫反射光强值。

步骤101c：计算各接触压力下的漫反射光强值的变化量。

以F为0时的光谱数据为基准进行差分处理：

式中，与分别为初始状态和各次增加压力后的漫反射光强信号，ΔI_i-0为接触压力为F_i时相对于F₀时的光强变化量。

步骤102a：将漫反射光强值的变化量为0的径向位置作为压力不敏感位置。可通过不规则折线或拟合曲线分别将同一接触压力下的漫反射光强值的变化量和径向位置相关联，本实施例中，具体如图3(a)中所示。

步骤102b：确定不同接触压力下漫反射光强值的变化量为0时的径向位置为压力不敏感位置。

结果如图3(a)所示。根据压力不敏感位置的定义，在径向位置ρ_PI处，漫反射光强几乎不受接触压力变化的影响。因此，1050nm处压力不敏感位置为1.50mm。

下面通过Monte Carlo模拟实验，验证本实施例中获取的压力不敏感位置应用在糖浓度检测上的有效性。

首先测量接触压力不变时(0N)，漫反射光强与葡萄糖浓度的相关性。然后给模拟皮肤样品受到随机的接触压力(0～0.6N)作用，模拟在体测量时接触压力的变化，考察此时的各径向位置处接收光强信号与葡萄糖浓度的相关性。为得到较高的模拟性噪比，设置葡萄糖浓度梯度为100mmol/L。随机压力值与对应葡萄糖浓度值设置如下表1：

表1十一组葡萄糖浓度样本的温度

以波长1050nm为例，两组模拟实验中各径向位置处漫反射光信号与葡萄糖浓度值的相关系数结果如表2所示：

表2不同径向处两组模拟实验中漫反射光强与葡萄糖浓度的相关系数

从表2可以看出，当接触压力固定时，各径向检测位置处光强与糖浓度均有较高相关系数。由于接触压力对光强的影响，当接触压力随机变化时，各相关系数发生不同程度的减小，压力不敏感位置处(1.5mm)的相关系数由-0.99776变为-0.97364，减小幅度最低，明显优于其他径向检测位置。由此可以说明，在压力不敏感位置处测量漫反射光信号，在减小接触压力影响的同时，仍能保证光谱与糖浓度之间的关系。

在本发明的其他实施例中，可以在Monte Carlo模拟试验中对本实施例中各参数的具体值进行变更，例如改变光源波长为1660nm，可根据本技术领域中已有的文献记载，确定在无接触压力下各皮肤层的组织光学参数和组织力学参数，并计算得到0.1～0.6N(间隔0.1N)接触压力下的真皮层厚度和真皮层散射系数，由此建立三层皮肤组织模型，设定接触压力F变化范围为0～0.6N(间隔0.1N)，径向位置为0.3～2mm(间隔0.1mm)，重复步骤101a至102b的操作，得到如图3(b)所示结果，可知在1660nm处存在压力不敏感位置，即为径向位置1.0mm处。当然光源波长的取值并不局限于此，上述实施例只是示例性说明，一般还可在漫反射测量过程中常用波长范围1000～2500nm内取值设定光源波长，例如1050nm、1219nm、1314nm等。

当然除了光源波长外，还可改变其他参数例如将接触压力设置为使应变量小于30％的任意值，此时仍可基于本发明提出的三层皮肤模型，计算真皮层厚度和散射系数，建立三层皮肤组织模型，进行Monte Carlo模拟试验以确定压力不敏感位置。

至此，已对第一实施例中通过Monte Carlo模拟试验获取压力不敏感位置，进行接触压力干扰抑制作了详细介绍，以下将对实际在体试验获取压力不敏感位置的内容作详细说明。

第二实施例

作为第二实施例，提供了实际在体试验的漫反射测量中接触压力干扰抑制方法和装置。首先，搭建漫反射测量中接触压力干扰抑制装置，以测量人体皮肤组织在不同接触压力下不同径向位置的漫反射光强，并由此获取漫反射光强值的变化量为0时的径向位置；

如图4所示，该接触压力干扰抑制装置包括：

光源；光纤，用于光的传输；光纤探头，包含：入射光纤，用于向被测对象输出光源的光；以及多个出射光纤，相对于入射光纤具有一个或多个径向位置，用于接收被测对象的漫反射光，实现不同径向位置下漫反射光强的测量；检测器，其数量与径向位置的数量一致，用于将检测到的光信号转化为电信号；采集卡，用于将检测器输出的电信号进行模数转换；计算机，用于读取和显示采集卡输出的数字信号，并通过计算获取接触压力在多个径向位置处的干扰等。

其中所述光纤探头固定于一位移平台上，通过调整位移平台的步进距离来调整接触压力大小，实现不同接触压力下漫反射光强值的测量。

使用上述接触压力干扰抑制装置获取压力不敏感位置的方法，如图5所示，包括：

步骤101a’：针对被测对象分别获取至少一个光源波长、至少两个接触压力和多个径向位置下的漫反射光强值。

本实施例中，选取波长在1050nm下，利用位移平台的步进距离表示接触压力，选取步进距离为0～1.0mm(间隔0.2mm)，选取径向位置为0.3～2mm(间隔0.28mm)处，分别获取漫反射光强值。

步骤101b’：在同一光源波长和径向位置下计算第二接触压力相对于第一接触压力的漫反射光强值的变化量；

本实施例中，以步进距离为0mm(探头与皮肤完全接触)时作为初始状态，利用式(5)进行差分处理，获取步进距离分别为0.2～1.0(间隔0.2mm)的漫反射光强值的变化量。

步骤102a’：在同一光源波长和步进距离下通过不规则折线或拟合曲线将漫反射光强值的变化量和径向位置相关联，本实施例中通过不规则折线进行关联，如图6(a)所示；

步骤102b’：确定不同光源波长和接触压力下漫反射光强值的变化量为0时的径向位置，如图6(a)所示，可知，1050nm处压力不敏感位置在0.82mm附近。

在另一实施例中，针对同一被测对象，将光源波长分别调整为1219nm和1314nm，进行步骤101a’至102b’的操作，得到如图6(b)和图6(c)所示结果，可知，1219nm和1314nm光源波长下的压力不敏感位置分别为0.95附近和0.85附近。

下面通过重复测量的方式评价通过实际在体试验获取的压力不敏感位置测量光谱的稳定性。

首先，通过上述步骤的实际在体试验获取得到在波长分别为1050nm、1219nm和1314nm时受试者1的压力不敏感位置分别为径向位置为0.8mm、0.78mm和0.8mm处；

其次，在这三个波长下对受试者1分时重复测量10次，并求各个波长下和不同径向位置处的10组光谱数据的信噪比(SNR)，本发明中的信噪比定义为光谱信号与噪声信号的比值，在此光谱信号为重复测量的平均值(Averange，AVE)，噪声为光谱信号的标准差(Standard Deviation，SD)。

最后，获得如图7所示结果，可以看出受试者1在近压力不敏感位置处测得的光强数据的SNR最高，即在该处测量时，数据稳定性好，受干扰影响小。

以下通过OGTT实验验证本实施例获取的压力不敏感位置可以应用于人体无创伤血糖浓度测量，这种情况下光源的波长可以在约1000～2500nm的范围。

OGTT实验中，要求受试者前一天晚上10点以后不能有进食，空腹状态下口服75g葡萄糖，测量其血糖变化。因此OGTT可以实现受试者在短时间内血糖浓度发生较大范围的变化，易用光谱检测。

具体验证方法流程如图8所示，包括：

步骤1：在开机两小时后光源和检测器基本达到稳定，因此，在实验开始前两小时左右开机。

步骤2：选取受试者掌心平坦部位作为测量部位，并对测量部位进行固定，调节探头位置，使受试者处于较为舒适的接触状态，设定加热装置初始值，使手掌与光线探头接触3分钟，使接触温度基本稳定；

步骤3：测量空腹状态下光谱数据；

步骤4：受试者5分钟内口服250ml含75g葡萄糖的水溶液，并持续采集漫反射光强信号。每隔5-15分钟采集一次血糖值(由于在口服葡萄糖溶液后，人体血糖浓度会在40分钟左右达到峰值，因此在这段时间内血糖值采集相对其后时间段频繁)。血糖浓度参考值用两台血糖仪(GT-1820，Arkray，Japan)同时测量取平均值得到，为了降低频繁针刺采血给受试者带来的不适感，本次实验采用静脉留置针的方式进行取血。

步骤5：测量时间大约2小时，当受试者血糖浓度降至与其空腹状态值相近时，停止在体光强信号采集。

光谱测量方案是采用1050nm、1219nm、1314nm、1409nm、1550nm和1609nm六个波长进行分时测量，单个波长测量3s后切换到下一个波长，六个波长依次测量，共用时约20s，计为一个测量周期，以此重复测量。选取OGTT全部有效血糖浓度值相对应的漫反射光强数据，通过偏最小二乘回归法(PLSR)建立的漫反射光谱数据与被测成分浓度的多变量回归模型，利用该模型进行血糖浓度预测并采用完全交互验证法对该模型进行评价。

受试者2在1050nm、1219nm、1314nm波长下的压力不敏感位置位于0.9～1.0mm之间，径向位置为0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm、1.5mm分别对应检测器1至6，可知该位置靠近检测器3(光纤中心径向位置为1.04，光纤径向尺寸为0.2mm)，因此以第三路检测器测量得到的光谱数据代表压力不敏感位置处接收到的光信号。

建模结果如图9(a)至9(f)所示，可知，血糖浓度预测值与血糖浓度测量值有较好的一致性，其中，利用对应压力不敏感位置处的检测器3测得的光强数据建模预测的糖浓度值与实际测量值的线性度最高，且在拟合曲线附近波动较小，即预测误差更低，建模效果更好。

至此对第二实施例通过实际在体试验获取压力不敏感位置，进行接触压力干扰抑制的方法作了详细介绍。

第三实施例

从第二实施例中可以看出，结合压力不敏感位置的光谱数据和PLSR建模预测出的血糖浓度预测值和血糖浓度测量值基本一致，因此，基于压力不敏感位置的漫反射光谱测量可以在一定程度上削弱在体测量中接触压力变化的干扰。

作为第三实施例，结合压力不敏感位置的光谱数据和PLSR建模提出一种漫反射光谱测量方法，如图10所示，该方法包括：

步骤201：按照上述实施例中进行的接触压力干扰抑制方法进行压力干扰抑制处理；

步骤202：获取被测对象的压力不敏感位置处的漫反射光谱数据；

其中，本步骤202包括基于在压力不敏感位置处获取不同光源波长下的漫反射光谱数据，当各光源波长下均存在一压力不敏感位置时，则直接进行步骤203的处理；当其中某一光源波长下不存在压力不敏感位置时，还可在执行步骤203之前，在该光源波长下进行漫反射光谱数据修正的步骤，具体包括：

子步骤202a：基于已获取的压力不敏感位置，在该光源波长下向被测对象施加不同接触压力，获取不同接触压力产生的干扰；

子步骤202b：根据所述干扰确定一阈值，所述阈值为能够接受的最大干扰下的漫反射光谱数据；

子步骤202c：在该光源波长下筛除超出阈值的漫反射光谱数据。

经过202a～202c的处理可以使本发明接触压力干扰抑制方法适用于更宽光源波长范围内的漫反射光谱测量，也使得步骤203中用于建模的漫反射光谱数据更为可靠，进而实现被测成分浓度的准确测量。

步骤203：建立压力不敏感位置处的漫反射光谱数据与被测成分浓度模型，实现被测成分浓度的测量。

其中，该模型为通过偏最小二乘回归法建立的漫反射光谱数据与被测成分浓度的多变量回归模型；该被测成分可为蛋白质、血糖或脂肪等物质；被测对象为人体皮肤，具体可为手指、手掌等部位的皮肤。

需要说明的是，处理器可以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)、现场可编程门阵列(FPGA)等。处理器可以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，以实现干扰抑制、模型建立和浓度测量。该处理装置还可以包括输入设备，例如鼠标、键盘等，用以输入用户命令、数据等，以及输出设备，例如显示器等，用以输出处理器的处理结果(例如，预测结果等)。输入设备和输出设备可以组合实现为触摸屏。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种漫反射测量中接触压力干扰抑制方法，包括：

获取接触压力在光谱测量中多个径向位置处产生的干扰；

选取干扰最小的径向位置作为压力不敏感位置，以该压力不敏感位置为测量位置获取光谱数据，以抑制接触压力对光谱数据的影响。

2.根据权利要求1所述的接触压力干扰抑制方法，其特征在于，所述干扰以接触压力单独变化产生的漫反射光强值的变化量来度量。

3.根据权利要求2所述的接触压力干扰抑制方法，其特征在于，所述漫反射测量是用于生物组织的无创检测，所述漫反射光强值的变化量通过Monte Carlo模拟试验来确定，具体包括以下步骤：

基于三层皮肤组织模型，设定光源波长、接触压力和径向位置，以确定Monte Carlo模拟所需的组织光学参数和组织力学参数；

通过Monte Carlo模拟分别获取至少一个光源波长、至少两个接触压力和多个径向位置下的漫反射光强值；

在同一光源波长和同一径向位置下计算第二接触压力相对于第一接触压力的漫反射光强值的变化量。

4.根据权利要求3所述的接触压力干扰抑制方法，其特征在于，所述三层皮肤组织模型通过以下方式建立：

设定表皮层、真皮层和皮下组织的厚度；

忽略除真皮层厚度外的其余组织力学参数随不同接触压力的变化，并且所述真皮层厚度的计算公式为：

其中，ε_D为皮肤组织厚度应变.υ为皮肤组织的泊松比；D为各层皮肤组织的初始厚度；ΔD为接触压力引起的皮肤组织厚度变化量；E为皮肤组织杨氏模量；S为光纤探头与被测组织之间的接触面积；以及

忽略除真皮层散射系数外的其余组织光学参数随不同接触压力的变化，并且真皮层散射系数的计算公式为：

其中，μ_s0为未施加压力时真皮层散射系数，μ_s为真皮层散射系数。

5.根据权利要求2所述的接触压力干扰抑制方法，其特征在于，所述漫反射光强值的变化量通过实际在体试验来确定，具体包括以下步骤：

针对被测对象分别获取至少一个光源波长、至少两个接触压力和多个径向位置下的漫反射光强值；

在同一光源波长和径向位置下计算第二接触压力相对于第一接触压力的漫反射光强值的变化量。

6.根据权利要求5所述的接触压力干扰抑制方法，其特征在于，所述接触压力的大小通过控制光纤探头挤压被测对象的步进距离进行调整。

7.根据权利要求3或5所述的接触压力干扰抑制方法，其特征在于，选取干扰最小的径向位置的步骤具体包括：

在同一光源波长和接触压力下通过不规则折线或拟合曲线将漫反射光强值的变化量和径向位置相关联；

将不同光源波长下随接触压力的变化漫反射光强值的变化量为0时的径向位置分别作为各光源波长的干扰最小的径向位置。

8.根据权利要求3或5所述的接触压力干扰抑制方法，其特征在于，所述光源波长为1000～2500nm。

9.一种抑制接触压力干扰的漫反射光谱测量方法，包括：

按照权利要求1至8中任意一项所述的方法获取不同光源波长下压力不敏感位置，在该压力不敏感位置处检测光谱，以进行压力干扰抑制；

针对被测对象，建立压力不敏感位置处的漫反射光谱数据与被测成分浓度模型，实现被测成分浓度的测量。

10.根据权利要求9所述的漫反射光谱测量方法，其特征在于，当某一光源波长下不存在压力不敏感位置时，所述漫反射光谱测量方法还包括在建立浓度模型前，在该光源波长下进行漫反射光谱数据修正的步骤，具体包括：

基于已获取的压力不敏感位置，在该光源波长下向被测对象施加不同接触压力，获取不同接触压力产生的干扰；

根据所述干扰确定一阈值，所述阈值为能够接受的最大干扰下的漫反射光谱数据；

在该光源波长下筛除超出阈值的漫反射光谱数据。

11.根据权利要求9所述的漫反射光谱测量方法，其特征在于，所述被测成分浓度模型为通过偏最小二乘回归法建立的漫反射光谱数据与被测成分浓度的多变量回归模型。

12.根据权利要求11所述的漫反射光谱测量方法，其特征在于：

所述被测成分为蛋白质、血糖或脂肪；

所述被测对象为人体皮肤。

13.一种漫反射测量中接触压力干扰抑制装置，包括：

光源；

光纤探头，所述光纤探头相对于被测对象的位置可调，包含：

入射光纤，用于向被测对象输出光源的光；以及

多个出射光纤，相对于入射光纤具有多个径向位置，用于接收被测对象的漫反射光；

检测器，用于将检测到的所述漫反射光的光信号转换为电信号；以及

处理器，用于对所述电信号进行处理获取接触压力在多个径向位置处产生的干扰，并通过比较大小获得接触压力干扰最小的径向位置。

14.根据权利要求13所述的接触压力干扰抑制装置，其特征在于，所述光纤探头为多环光纤束结构，以所述入射光纤为中心，在不同的径向位置处环状布设出射光纤。

15.根据权利要求13所述的接触压力干扰抑制装置，其特征在于，所述光纤探头固定于能够精密调整步进距离的位移平台上。

16.根据权利要求13所述的接触压力干扰抑制装置，其特征在于，所述接触压力干扰抑制装置用于生物组织的无创检测，且所述处理器确定接触压力干扰最小的径向位置的步骤具体包括：

通过不规则折线或拟合曲线分别将同一接触压力下的漫反射光强值的变化量和径向位置相关联；

将不同接触压力下漫反射光强值的变化量为0时的径向位置作为干扰最小的径向位置。

17.根据权利要求16所述的接触压力干扰抑制装置，其特征在于，获取所述漫反射光强值的变化量的步骤具体包括：

针对被测对象分别获取至少一个光源波长、至少两个接触压力和多个径向位置下的漫反射光强值；

在同一光源波长和径向位置下计算第二接触压力相对于第一接触压力的漫反射光强值的变化量。

18.根据权利要求17所述的接触压力干扰抑制装置，其特征在于，所述光源波长为1000～2500nm。