CN109991194B - 漫反射光谱中抑制温度干扰的方法、光谱分析方法及装置 - Google Patents

漫反射光谱中抑制温度干扰的方法、光谱分析方法及装置 Download PDF

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials

Abstract

本公开提供一种漫反射光谱中抑制温度干扰的方法、光谱分析方法及装置，包括：确定温度干扰因素对光谱测量的干扰模式；所述干扰模式包括：源‑探测器距离的改变；基于所述干扰模式，确定所述源‑探测器距离的特殊值，使漫反射光谱在所述源‑探测器距离的特殊值下抑制了温度干扰因素对光谱测量的干扰。利用温度不敏感源‑探测器距离处不包含温度干扰的信息，选取温度不敏感源‑探测器距离进行漫反射光谱分析可以有效避免温度变化的干扰，提高分析结果的可靠性；并且整个过程简单、方便；同时应用范围广泛。

Description

漫反射光谱中抑制温度干扰的方法、光谱分析方法及装置
技术领域
本发明涉及光谱分析技术领域，尤其涉及一种漫反射光谱中抑制温度干扰的方法、光谱分析方法及装置。
背景技术
光谱分析技术是指利用光谱区包含的物质信息，进行定性和定量分析的一种技术。由于其具有分析速度快、不破坏样品、无污染等特点，近年来在工业、农业、医药、食品等方面得到了广泛的应用。光谱区内的吸收主要产生于分子的振动或转动的状态变化。然而，分子中各基团的振动却容易受到温度等外界条件的影响，这严重影响了光谱技术在测量条件较难控制的场合中加以应用。
消除温度对散射介质漫反射光谱干扰的方法可归类为三种：变量选择法，是选择对温度不敏感的波长建立模型；全局模型法，是把温度变化信息包含到建模过程中；光谱校正法，是将预测集样本光谱修正为参考温度下的光谱值后，用校正模型进行浓度预测。
然而在实现本公开的过程中，本申请人发现，变量选择法中，需要复杂算法对波长进行筛选；全局模型法中，当预测样品的温度不在意料范围内时，会给预测结果带来较大偏差；光谱校正法中，往往需要各成分纯的光谱信息，且在消除温度干扰的同时会消除部分被测成分的信息。因此现有技术中无法有效的提供一种可靠的、简单的、普适性的测量方法去消除漫反射光谱测量中温度的干扰。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供一种漫反射光谱中抑制温度干扰的方法、光谱分析方法及装置，以缓解现有的温度干扰抑制方法无法做到可靠、简单以及普适性的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种漫反射光谱中抑制温度干扰的方法，包括：确定温度干扰因素对光谱测量的干扰模式；所述干扰模式包括：源-探测器距离的改变；基于所述干扰模式，确定所述源-探测器距离的特殊值，使漫反射光谱在所述源-探测器距离的特殊值下抑制了温度干扰因素对光谱测量的干扰。
在本公开中，其中，确定所述源-探测器距离的特殊值，包括：确定温度不敏感源-探测器距离，其中所述温度不敏感源-探测器距离是指：在所述温度不敏感源-探测器距离处，漫反射光谱不包含温度变化的信息。
在本公开中，确定被测对象温度不敏感源-探测器距离的方法包括：理论计算法、蒙特卡罗模拟法以及实验法；和/或适用于漫反射光谱中抑制温度干扰的方法的电磁波的波长介于1000nm至2500nm之间。
在本公开中，所述理论计算法包括：步骤100：求得漫反射光强的变化量与温度变化量的关系式；步骤200：将稳态漫射方程在无限介质下的解代入上述关系式中；步骤300：假设存在一源-探测器距离使此处的漫反射光强不受温度的影响；以及步骤400：求出该源-探测器距离的表达式，并根据实际情况，代入被测对象的实际参数，即可获取被测对象温度不敏感源-探测器距离。
在本公开中，其中，源-探测器距离的表达式为：
Figure BDA0001534131910000021
其中，ρTI为温度不敏感源-探测器距离，μa为吸收系数，μ′s为约化散射系数，有效衰减系数
Figure BDA0001534131910000022
W＝μeff -1D-2+3μeff，
Figure BDA0001534131910000023
为吸收系数的温度特性，
Figure BDA0001534131910000024
为约化散射系数的温度特性。
在本公开中，所述蒙特卡罗模拟法包括：步骤101：根据被测对象的多个参数建立蒙特卡罗模型并进行模拟；以及步骤102：根据步骤101中得到模拟结果，通过直线、不规则折线或拟合曲线将同一温度下的漫反射光强变化量与源-探测器距离相关联。
在本公开中，所述步骤101中，所述参数包括：吸收系数、约化散射系数、折射率、各向异性因子、吸收系数的温度特性、约化散射系数的温度特性。
在本公开中，所述步骤102包括：步骤1021：以源-探测器距离为横坐标，以漫反射光强变化量为纵坐标建立坐标系；步骤1022：根据步骤101中得出的结果，得出不同温度下不同源-探测器距离的漫反射光强；步骤1023：在步骤1022的基础上，以基准温度进行差分，并将结果绘制在步骤1021建立的坐标系中；以及步骤1024：根据步骤1023绘制的图像，获取温度不敏感源-探测器距离。
在本公开中，所述实验法包括：步骤201：搭建抑制温度干扰的漫反射光谱分析装置；步骤202：对被测对象不同温度、不同源-探测器距离的漫反射光强进行测量；以及步骤203：根据步骤202得到的结果，通过直线、不规则折线或拟合曲线将同一温度下的漫反射光强变化量与源-探测器距离相关联，获取温度不敏感源-探测器距离。
在本公开中，所述步骤203包括：步骤2031：采用如下数据处理方式：
Figure BDA0001534131910000031
其中，
Figure BDA0001534131910000032
为被测对象温度为T时相对于温度T0时漫反射吸光度的变化量，
Figure BDA0001534131910000033
和IT(λ，ρ)分别为被测对象温度为T0和T时的漫反射光强；步骤2032：以源-探测器距离为横坐标，漫反射光强的变化量为纵坐标建立坐标系；以及步骤2033：将所述步骤202中测得的结果，根据步骤2031进行处理后，绘制在步骤2032建立的坐标系中，获取温度不敏感的源-探测器距离。
根据本公开的另一个方面，还提供一种光谱分析方法，包括：步骤A：根据本公开提供的漫反射光谱中抑制温度干扰的方法，确定被测对象温度不敏感源-探测器距离；步骤B：获取温度不敏感源-探测器距离的漫反射光谱；以及步骤C：建立温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光谱与被测对象浓度的多变量回归模型，进行漫反射光谱分析。
在本公开中，该方法应用于人体无创伤血糖浓度测量。
根据本公开的再一个方面，还提供一种光谱分析装置，包括：光源，用于发出不同波长的电磁波；光纤探头，与所述光源通过光纤连接，包括：入射光纤，与所述光源连接，用于向被测对象发射电磁波；以及出射光纤，用于接收所述入射光纤发出后经被测对象反射的电磁波；检测器，与所述出射光纤连接，用于将所述出射光纤接收的电磁波信号转化为电信号；采集装置，与所述检测器电连接，用于将所述检测器输出的电信号进行模数转换；以及处理器，与所述采集装置电连接，用于读取并显示所述检测器的信号内容，并执行以下处理流程：步骤A：根据本公开提供的漫反射光谱中抑制温度干扰的方法，确定被测对象温度不敏感源-探测器距离；步骤B：获取温度不敏感源-探测器距离的漫反射光谱；以及步骤C：建立温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光谱与被测对象浓度的多变量回归模型，进行漫反射光谱分析。
在本公开中，所述入射光纤和所述出射光纤的源-探测器距离为多个，所述检测器的数量与所述源-探测器距离的数量相等。
在本公开中，所述入射光纤为一条，所述出射光纤为多条；多条所述出射光纤以所述入射光纤为圆心，沿多个半径为不同的源-探测器距离的圆周排列。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的漫反射光谱中抑制温度干扰的方法、光谱分析方法及装置有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)由于温度不敏感源-探测器距离处不包含温度干扰的信息，选取温度不敏感源-探测器距离进行漫反射光谱分析可以有效避免温度变化的干扰，提高分析结果的可靠性；
(2)利用温度不敏感源-探测器距离的测量方法与现有技术中的方法相比，仅通过选择合适的源-探测器距离即可有效的消除温度干扰的影响，整个过程更简单、方便；
(3)该测量方法可以广泛适用于漫反射光谱测量中，被测成分范围广(例如：葡萄糖、脂肪、蛋白质或蔗糖等等)；
(4)在模拟过程中，通过建立坐标系，并通过差分的方法对数据进行处理，使数据表现更直观，更容易找到温度不敏感点；
(5)在实验过程中，通过特殊的数据处理方法，能够消除各个光路中，光纤横截面积、光纤在光纤传输中的损耗以及检测器的放大倍数所带来的差异；
(6)在实验数据处理中，通过建立坐标系，并使用特殊的数据处理方法，能够更直观地展现温度不敏感源-探测器距离。
附图说明
图1为3％Intralipid溶液在1219nm波长下的蒙特卡罗模拟值。
图2为3％Intralipid溶液在1219nm波长下的实验数据值。
图3为本公开提供的光谱分析装置的结构示意图。
图4为本公开提供的光谱分析装置中入射光纤和出射光纤的排列示意图。
图5为本公开提供的光谱分析装置中入射光纤和出射光纤的另一种排列示意图。
图6a为温度恒定时温度不敏感源-探测器距离处漫反射光强与葡萄糖浓度的相关系数。
图6b为温度变动时温度不敏感源-探测器距离处漫反射光强与葡萄糖浓度的相关系数。
图7为不同源-探测器距离处温度恒定时和温度变化时漫反射光强与葡萄糖浓度之间的相关系数。
图8温度恒定时葡萄糖的建模效果。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
10-光源； 20-光纤探头； 30-检测器；
40-采集装置； 50-处理器； 60-被测对象；
21-入射光纤； 22-出射光纤。
具体实施方式
本公开中，通过温度不敏感的源-探测器距离进行漫反射光谱分析可以有效避免温度变化的干扰，提高分析结果的可靠性；并且仅通过选择合适的源-探测器距离即可有效的消除温度干扰的影响，整个过程更简单、方便；同时该测量方法可以广泛适用于漫反射光谱测量中，被测成分范围广。
此处需要补充说明的是，本公开所述的源-探测器距离(Source-detectorseparation)是指：放置在被测物表面的入射光纤21与放置在被测对象60表面的出射光纤22之间的几何距离。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种漫反射光谱中抑制温度干扰的方法，包括：确定温度干扰因素对光谱测量的干扰模式；干扰模式包括：源-探测器距离的改变；基于干扰模式，确定源-探测器距离的特殊值，使漫反射光谱在源-探测器距离的特殊值下抑制了温度干扰因素对光谱测量的干扰。
漫反射光强随源-探测器距离ρ的分布由漫射系数D、等效正光源到介质表面的距离Z0、外推边界到真实表面的距离Zb和有效衰减系数μeff决定，而这些参数均由散射介质的光学参数决定。因此，漫反射光强可以看作是源-探测器距离的函数，通过改变源-探测器距离可改变组织光学参数变化对I(ρ)的影响，因此，温度干扰因素对光谱测量的干扰模式包括：源-探测器距离的改变。
其中，确定所述源-探测器距离的特殊值，包括：确定温度不敏感源-探测器距离，其中温度不敏感源-探测器距离是指：在温度不敏感源-探测器距离处，漫反射光谱不包含温度变化的信息。
假设在特定波长下的漫反射光谱测量过程中，同时存在被测物质的浓度变化的干扰ΔCg和温度变化的干扰ΔT，由二者引起的漫反射光强变化量ΔI(ρ，ΔCg，ΔT)满足：
Figure BDA0001534131910000061
其中，ΔI(ρ，ΔCg)，ΔI(ρ，ΔT)分别表示由葡萄糖浓度变化和温度变化对漫反射光强的影响，Sen(ρ，ΔCg)，Sen(ρ，ΔT)分别表示源-探测器距离ρ处漫反射光强对葡萄糖浓度变化和温度变化的灵敏度，μa表示介质的吸收系数，μ′s表示介质的约化散射系数。
温度变化ΔT作为干扰因素会引起组织吸收效应和散射效应的变化。因此，假定在特定波长下被测对象中存在温度不敏感源-探测器距离ρTI，该位置处由温度变化ΔT引起的吸收效应和散射效应可以相互抵消，从而表现为该位置处的光谱信息对温度变化不敏感，即满足：
Figure BDA0001534131910000071
因此，根据上述分析，在温度不敏感源-探测器距离处，漫反射光谱不包含温度变化的信息，从而消除温度变化影响，得到仅含被测对象浓度变化的光谱数据，从而抑制了温度干扰因素对光谱测量的干扰。由于温度不敏感源-探测器距离处不包含温度变化的干扰信息，选取温度不敏感源-探测器距离进行漫反射光谱分析可以有效避免温度变化的干扰，提高分析结果的可靠性；并且利用温度不敏感源-探测器距离的测量方法与现有技术中的方法相比，仅通过选择合适的源-探测器距离即可有效的消除温度干扰的影响，整个过程更简单、方便；同时该测量方法可以广泛适用于漫反射光谱测量中，被测成分范围广(例如：葡萄糖、脂肪、蛋白质或蔗糖等等)。
在本公开中，确定被测对象温度不敏感源-探测器距离的方法包括：理论计算法、蒙特卡罗模拟法以及实验法。
在本公开中，理论计算法包括：步骤100：求得漫反射光强的变化量与温度变化量的关系式；步骤200：将稳态漫射方程在无限介质下的解代入上述关系式中；步骤300：假设存在一源-探测器距离使此处的漫反射光强不受温度的影响；以及步骤400：求出该源-探测器距离的表达式，并根据实际情况，代入被测对象60的实际参数，获取被测对象温度不敏感源-探测器距离。
在本公开中，其中：步骤100中，漫反射光强的变化量与温度变化量满足如下关系式：
Figure BDA0001534131910000072
步骤200中，稳态漫射方程在无限介质下的解为：
Figure BDA0001534131910000073
将公式(2)代入公式(1)中，得到：
Figure BDA0001534131910000081
由式公式(3)可以看出，由温度变化引起的漫反射光强的变化量与源-探测器距离有关。因此，步骤300中，假设存在特定的源-探测器距离，即温度不敏感源-探测器距离ρTI。在该位置处漫反射光强不受温度影响，满足如下关系式：
Figure BDA0001534131910000082
结合公式(3)和公式(4)即可得：
Figure BDA0001534131910000083
因此，所述步骤400中，该源-探测器距离的表达式为：
Figure BDA0001534131910000084
其中，I为漫反射光强，ρ为源-探测器距离，Cg为被测对象的浓度，ΔT为温度变化量，μa为吸收系数，μ′s为约化散射系数，有效衰减系数
Figure BDA0001534131910000085
漫射系数D＝[3(μa+μ′s)]-1，W＝μeff -1D-2+3μeff，
Figure BDA0001534131910000086
为吸收系数的温度特性，
Figure BDA0001534131910000087
为约化散射系数的温度特性。
水作为Intralipid溶液的主要吸收物质，温度对其吸收系数的影响与Intralipid溶液具有一致性。对3％Intralipid溶液而言，忽略溶液中其他成分对吸收系数的贡献，近似认为温度对其吸收系数的影响与温度对纯水的吸收系数的影响满足如下关系：
Figure BDA0001534131910000088
其中，dμa Intra/dT为3％Intralipid溶液吸收系数的温度特性，dμa water/dT为纯水的吸收系数的温度特性，
Figure BDA0001534131910000089
为3％Intralipid溶液中水的体积分数，其值近似为97％。
利用傅里叶红外光谱仪(Vertex 70，布鲁克，德国)测量了1mm样品池内35-40℃范围内纯水的吸光度，计算得到了833-2500nm范围内3％Intralipid溶液吸收系数的温度特性。其中1219nm的结果满足：
Figure BDA0001534131910000091
散射特性主要是由于散射颗粒的折射率ns(λ)与周围的非散射特性的背景介质的折射率n0(λ)之间不匹配造成的。在生物组织及强散射介质中，当散射颗粒的折射率ns(λ)和背景介质的折射率n0(λ)之间满足|ns(λ)/n0(λ)-1|＞＞1时，根据Rayleigh-Gans近似Mie散射理论，约化散射系数μs′可以近似表示为：
Figure BDA0001534131910000092
其中，ρs为单位体积内散射微粒的个数，a为散射微粒半径，ns(λ)为大豆油的折射率，n0(λ)为水的折射率。
忽略温度对散射微粒半径a和单位体积内散射微粒个数ρs的影响，温度对约化散射系数的影响主要由散射颗粒和水的折射率变化引起，因此，可以近似表示为：
Figure BDA0001534131910000093
其中，
Figure BDA0001534131910000094
Figure BDA0001534131910000095
其中，
Figure BDA0001534131910000096
为水的折射率随温度的变化率，
Figure BDA0001534131910000097
为大豆油的折射率随温度的变化率。在35-40℃范围内，利用已知的Intralipid溶液的参数(参考文献：VanStaveren H.J.，Moes C.J.，van Marie J.，et al.Light scattering in Intralipid-10％in the wavelength range of 400-1100nm[J].Applied Optics，1991，30(31)：4507.以及Chen C.，LuJ.Q.，Ding H.，et al.A primary method for determination ofoptical parameters of turbid samples and application to Intralipid between550and 1630nm.[J].Optics Express，2006，14(16)：7420.)并拓展到1000-2500nm，同时取
Figure BDA0001534131910000098
(参考文献：杨荣国，武少文，杜磊，等.干涉法测量透明液体折射率随温度的变化关系[J].物理测试，2007，25(5)：45-46.)，
Figure BDA0001534131910000101
(参考文献：杨红军，杨坤，褚昆昆.温度与植物油折射率和黏度关系研究[J].粮食与油脂，2016，29(8)：39-41.)。计算得到了1000-2500nm波长下约化散射系数的温度特性，其中1219nm波长下满足：
Figure BDA0001534131910000102
将上述参数代入步骤400中求出的表达式，即可得到1219nm波长下的温度不敏感源-探测器距离为ρTI＝1.27mm。
在本公开中，蒙特卡罗模拟法包括：步骤101：根据被测对象60的多个参数建立蒙特卡罗模型并进行模拟；以及步骤102：根据步骤101中得到模拟结果，通过直线、不规则折线或拟合曲线将同一温度下的漫反射光强变化量与源-探测器距离相关联。
在本公开中，步骤101中，参数包括：吸收系数、约化散射系数、折射率、各向异性因子、吸收系数的温度特性、约化散射系数的温度特性。
在本公开中，步骤102包括：步骤1021：以源-探测器距离为横坐标，以漫反射光强变化量为纵坐标建立坐标系；步骤1022：根据步骤101中得出的结果，得出不同温度下不同源-探测器距离的漫反射光强；步骤1023：在步骤1022的基础上，以基准温度进行差分，并将结果绘制在步骤1021建立的坐标系中；以及步骤1024：根据步骤1023绘制的图像，获取温度不敏感源-探测器距离。
图1为3％Intralipid溶液在1219nm波长下的蒙特卡罗模拟值，如图1所示，利用上述参数建立蒙特卡罗模型并进行模拟，得到35-40℃下不同源-探测器距离的漫反射光强，并以35℃为基准温度进行差分，将同一温度下不同源-探测器距离处，漫反射光强相对于基准温度的变化值通过不规则折现连接起来，这些折线与横轴有一共同的交点，这一交点的表示在这一源-探测器距离处，随着温度的改变，漫反射光强并没有发生变化(即纵坐标为0)，因此这一交点即为温度不敏感源-探测器距离ρTI。
在本公开中，实验法包括：步骤201：搭建抑制温度干扰的漫反射光谱分析装置；步骤202：对被测对象不同温度、不同源-探测器距离的漫反射光强进行测量；以及步骤203：根据步骤202得到的结果，通过直线、不规则折线或拟合曲线将同一温度下的漫反射光强变化量与源-探测器距离相关联，获取温度不敏感源-探测器距离。
在本公开中，步骤203包括：
步骤2031：获取由温度变化引起的漫反射光强的变化量，优选地，采用如下数据处理方式：
Figure BDA0001534131910000111
其中，
Figure BDA0001534131910000112
为被测对象温度为T时相对于温度T0时漫反射光强的变化量，
Figure BDA0001534131910000113
和VT(λ，ρ)分别为被测对象温度为T0和T时采集的光谱数据，
Figure BDA0001534131910000114
和IT(λ，ρ)分别为被测对象温度为T0和T时的漫反射光强，η为抑制温度干扰的漫反射光谱分析装置对漫反射光强的放大倍数，例如：光纤横截面积、光纤在光纤传输中的损耗以及检测器的放大倍数，因此采用这种数据处理方法，能够消除抑制温度干扰的漫反射光谱分析装置将光谱数据转化为漫反射光强时，抑制温度干扰的漫反射光谱分析装置本身带来的放大倍数，从而使测量结果更准确；
步骤2032：以源-探测器距离为横坐标，漫反射光强的变化量为纵坐标建立坐标系；以及
步骤2033：将步骤2031中测得的结果，绘制在步骤2032建立的坐标系中，获取温度不敏感的源-探测器距离。
以100mM葡萄糖浓度3％Intralipid溶液，1219nm电磁波为例，搭建抑制温度干扰的漫反射光谱分析装置，对100mM葡萄糖浓度3％Intralipid溶液不同温度下(35-40℃，梯度为1±0.1℃)，不同源-探测器距离的漫反射光强进行测量，取T0为35℃，利用上述数据处理方法得到不同温度下，不同源-探测器距离处的漫反射光强相对于35℃时的漫反射光强的变化量，图2为3％Intralipid溶液在1219nm波长下的实验数据值，如图2所示，将同一温度下不同源-探测器距离处的漫反射光强数据点通过直线连接起来，根据温度不敏感源-探测器距离的定义，在源-探测器距离ρTI处，漫反射光强不受温度影响，即
Figure BDA0001534131910000115
因此多条直线与横轴共同的交点即为温度不敏感源-探测器距离ρTI。
根据本公开的另一个方面，还提供一种光谱分析方法，包括：步骤A：根据本公开提供的漫反射光谱中抑制温度干扰的方法，确定被测对象温度不敏感源-探测器距离；步骤B：获取温度不敏感源-探测器距离的漫反射光谱；以及步骤C：建立温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光谱与被测对象浓度的多变量回归模型，进行漫反射光谱分析。
在本公开中，这种光谱分析方法可应用于人体无创伤血糖浓度测量。
在本公开中，电磁波的波长介于1000nm至2500nm之间。
图3为本公开提供的光谱分析装置的结构示意图。
根据本公开的再一个方面，还提供一种光谱分析装置，如图3所示，光源10，用于发出不同波长的电磁波；光纤探头20，与光源10通过光纤连接，包括：入射光纤21，与光源10连接，用于向被测对象60发射电磁波；以及出射光纤22，用于接收入射光纤21发出后经被测对象反射的电磁波；检测器30，与出射光纤22连接，用于将出射光纤22接收的电磁波信号转化为电信号；采集装置40，与检测器30电连接，用于将检测器30输出的电信号进行模数转换；以及处理器50，与采集装置40电连接，用于读取并显示检测器30的信号内容，并执行以下处理流程：步骤A：根据本公开提供的漫反射光谱中抑制温度干扰的方法，确定被测对象60温度不敏感源-探测器距离；步骤B：获取温度不敏感源-探测器距离的漫反射光谱；以及步骤C：建立温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光谱与被测对象浓度的多变量回归模型，进行漫反射光谱分析。
在本公开在，入射光纤21和出射光纤22的源-探测器距离为多个，检测器30的数量与源-探测器距离的数量相等，即多个与入射光纤21间隔相同源-探测器距离的出射光纤22均与同一个检测器30相连，采用此种设置，能够增强检测器30接收的光线强度，从而使检测器30的检测结果更精确。
图4为本公开提供的光谱分析装置中入射光纤和出射光纤的排列示意图。如图4所示，在本公开中入射光纤21与出射光纤22沿直线排列，每个出射光纤22分别于一个检测器30相连。
图5为本公开提供的光谱分析装置中入射光纤和出射光纤的另一种排列示意图。如图5所示，在本公开中，入射光纤21为一条，出射光纤22为多条；多条出射光纤22以入射光纤21为圆心，沿不同源-探测器距离的圆周排列。采用此种设置，能够使多条出射光纤22均射入同一检测器30中，从而增强了检测器30接收光强，并且环形设置的出射光纤22排列更紧凑，减小了光纤探头20的面积。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
出射光纤的排列方式还可以为方形、菱形或正六边形等等。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开漫反射光谱中抑制温度干扰的方法、光谱分析方法及装置有了清楚的认识。
下文以离体实验为例，具体说明本公开提供的光谱分析方法的具体效果。
步骤1：以1219nm电磁波为光源，葡萄糖为被测对象，以3％Intralipid为母液，配置成浓度范围为0-100mM，梯度为10mM的11组样品；
步骤2：测量11组样品在35℃，不同源-探测器距离(其中一个源-探测器距离为温度不敏感源-探测器距离)处的漫反射光强；
步骤3：随机控制11组样品的温度在35-40℃，测量11组样品在不同温度，不同源-探测器距离(其中一个源-探测器距离为温度不敏感源-探测器距离)处的漫反射光强，如表1所示；
表1：样品温度及葡萄糖浓度
Figure BDA0001534131910000131
步骤4：分别计算出步骤2和步骤3中11组样品的漫反射光强与葡萄糖浓度之间的相关系数，如表2所示。
表2：不同源-探测器距离处漫反射光强与葡萄糖浓度之间的相关系数
Figure BDA0001534131910000141
结果分析：当温度恒定时，漫反射光强与葡萄糖浓度之间具有较高的相关系数(如图7中表格第二行所示)。但随着源-探测器距离的增加，由于漫反射光线减弱，葡萄糖浓度变化的信号变弱，其相关系数逐渐减低；当温度变化时，由于温度变化对漫反射光谱的影响，各个源-探测器距离处漫反射光强与葡萄糖浓度之间的相关系数均有不同程度的下降。具体地，图6(a-b)分别给出了温度不敏感源-探测器距离处(1.32mm)温度恒定和温度变动时漫反射光强与葡萄糖浓度之间的关系。从图6(a-b)中可以看出，受温度变化的影响，漫反射光强与葡萄糖浓度的相关系数从0.993下降到0.991。结合表2可知，温度不敏感源-探测器距离处的相关系数下降量最少。同时，其相关系数的减小量明显低于其他源-探测器距离。即温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光强不易受温度变化的影响，且保留了温度恒定时漫反射光强与葡萄糖浓度之间的关系。因此，基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法可以有效降低温度变化对漫反射光谱的干扰，印证了本公开提供的光谱分析方法的有效性。
至此，已结合离体实验，具体说明了本公开提供的光谱分析方法的具体效果。
下文以蒙特卡罗模型为例，具体说明本公开提供的光谱分析方法的具体效果。
步骤1：以1000nm电磁波为光源，模拟同一温度下(本实施例取30℃)，不同源-探测器距离(其中一个源-探测器距离为温度不敏感源-探测器距离)处11组葡萄糖浓度的皮肤组织的漫反射光强；
步骤2：对步骤1中的11组皮肤组织随机匹配30-40℃之间的温度，如表3所示，并模拟各个温度下，不同源-探测器距离(其中一个源-探测器距离为温度不敏感源-探测器距离)处的皮肤组织的漫反射光强；
表3：皮肤组织的葡萄糖浓度及随机匹配的温度
Figure BDA0001534131910000151
步骤3：图7为不同源-探测器距离处温度恒定时和温度变化时漫反射光强与葡萄糖浓度之间的相关系数。如图7所示，分别计算步骤1和步骤2中11组皮肤组织的漫反射光强与葡萄糖浓度之间的相关系数。
此处需要补充说明的是，由于近光源处的漫反射光强大多数来自表皮层，几乎不含葡萄糖浓度和温度变化的信息(光线还未照射到真皮层就反射回去)，且主要包含散射信息，图7中仅选取了0.3-2.0mm范围内的源-探测器距离进行漫反射光强进行分析。
结果分析：当温度恒定时，漫反射光强与葡萄糖浓度之间具有较高的相关系数。温度变化时，由于温度变化对漫反射光谱的影响，各个源-探测器距离处漫反射光强与葡萄糖浓度之间的相关系数均有不同程度的下降。具体地，在温度不敏感源-探测器距离处(1.6mm)，相关系数从0.9992下降到0.9985，其下降量最少，同时其相关系数明显优于其他源-探测器距离。即温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光强不易受温度变化的干扰，且几乎保留了温度恒定时漫反射光强与葡萄糖浓度之间的关系，从另一个侧面印证了本公开提供的光谱分析方法的有效性。
至此，已结合蒙特卡罗模型，具体说明了本公开提供的光谱分析方法的具体效果。
下文以建立葡萄糖的多变量回归模型为例，具体说明本公开提供的光谱分析方法的具体效果。
步骤1：选取30℃时七个波长(本实施例中选取1000nm、1200nm、1410nm、1800nm、2000nm、2200nm和2500nm)的漫反射光谱建立葡萄糖的偏最小二乘法(Partial LeastSquares，PLS)模型；
步骤2：引入如表3所示的温度变化，分别获取七个不同波长，不同源-探测器距离处的漫反射光强；
步骤3：计算步骤1中预测样品集的均方根误差(Root Mean Square Error ofPrediction，RMSEP)，以及步骤2中不同源-探测器距离处预测样品集的均方根误差。
此处需要补充说明的是，预测样品集的均方根误差作为指标评价模型的预测能力。模型的RMSEP值越小，表明其预测精度越高。
图8温度恒定时葡萄糖的建模效果。表4为温度变化时不同源-探测器距离处葡萄糖的建模效果。
表4：温度变化时不同源-探测器距离处葡萄糖的建模效果
Figure BDA0001534131910000161
由图8可以看出，温度恒定(30℃)时葡萄糖的RMSEP为1.22mM。从表4中可以看出，不同源-探测器距离处建立的模型预测精度存在差异，且无明显规律。然而，利用上述七个波长各自温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光强建立的葡萄糖模型，其RMSEP值仅为1.77mM，明显优于其他源-探测器距离，基本接近温度恒定时的情况，即温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光强不易受温度变化的干扰，进一步验证了本公开提供的光谱分析方法的有效性。
至此，已结合多变量回归模型，具体说明了本公开提供的光谱分析方法的具体效果。
综上所述，本公开提供的漫反射光谱中抑制温度干扰的方法、光谱分析方法及装置利用温度不敏感源-探测器距离处不包含温度干扰的信息这一特性，选取温度不敏感源-探测器距离进行漫反射光谱分析，从而有效避免温度变化的干扰，提高分析结果的可靠性。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
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，所应理解的是，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 (3)

1.一种漫反射光谱中抑制温度干扰的方法，包括：
确定温度干扰因素对光谱测量的干扰模式；
所述干扰模式包括：源-探测器距离的改变；
基于所述干扰模式，确定所述源-探测器距离的特殊值，使漫反射光谱在所述源-探测器距离的特殊值下抑制了温度干扰因素对光谱测量的干扰，其中，适用于漫反射光谱中抑制温度干扰的方法的电磁波的波长介于1000nm至2500nm之间；
其中，确定所述源-探测器距离的特殊值，包括：
确定温度不敏感源-探测器距离，其中所述温度不敏感源-探测器距离是指：
在所述温度不敏感源-探测器距离处，漫反射光谱不包含温度变化的信息；
其中，确定被测对象温度不敏感源-探测器距离的方法包括：理论计算法；
所述理论计算法包括：
步骤100：求得漫反射光强的变化量与温度变化量的关系式；
步骤200：将稳态漫射方程在无限介质下的解代入上述关系式中；
步骤300：假设存在一源-探测器距离使此处的漫反射光强不受温度变化的影响；以及
步骤400：求出该源-探测器距离的表达式，并根据实际情况，代入被测对象的实际参数，获取被测对象温度不敏感源-探测器距离；
其中，源-探测器距离的表达式为：
Figure FDA0003425497430000011
其中，ρTI为温度不敏感源-探测器距离，μa为吸收系数，μ′s为约化散射系数，有效衰减系数
Figure FDA0003425497430000012
漫射系数D＝[3(μa+μ′s)]-1，W＝μeff -1D-2+3μeff，
Figure FDA0003425497430000013
为吸收系数的温度特性，
Figure FDA0003425497430000014
为约化散射系数的温度特性。
2.一种光谱分析方法，包括：
步骤A：根据如上述权利要求1所述的漫反射光谱中抑制温度干扰的方法，确定被测对象温度不敏感源-探测器距离；
步骤B：获取温度不敏感源-探测器距离的漫反射光谱；以及
步骤C：建立温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光谱与被测对象浓度的多变量回归模型，进行漫反射光谱分析。
3.根据权利要求2所述的光谱分析方法，该方法应用于人体无创伤血糖浓度测量。
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