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摘要随着人们生活环境的不断改善，人们对医疗方面的要求也越来越高。糖尿病因为高危害性而备受人们关注。无创血糖检测技术因其便利、安全且无痛苦所以受人们欢迎。为此，本文用混浊介质作为血浆的生物模型进行初步研究。 本文主要是通过偏振与光吸收结合的方法测量混浊介质和透明介质的葡萄糖溶液中入射波长与透射率和吸光度的关系，并使用多组不同浓度的葡萄糖溶液重复测量。对实验测量的结果进行主成分分析，抓住信息的主要特征。由于实验条件的限制，葡萄糖溶液的浓度的个数并不多，在数据处理过程中仍存在一定的误差。 27339
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毕业论文关键词 透射率 吸光度 主成分分析
Title Principal component analysis is applied to the preliminary studies in turbid medium glucose concentration detection Abstract With the continuous improvement of people's living environment, people also more and more high to the requirement of health care. Diabetes people's attention because of the high harmfulness. Noninvasive blood glucose detection technology because of its convenience, safety and no pain so popular. The current， blood glucose detection technology cannot meet the demand of people, and there are some risks. Therefore, this article use turbid medium as plasma model organism for preliminary study. This article mainly through the polarization and light absorption method of measuring the glucose solution of turbid medium and transparent medium in the incident wavelength and the transmission rate and the relationship between the absorbance, and repeated measurement using multiple sets of different concentrations of glucose solution. Principal component analysis, the results of experiment measurements capture the main characteristics of the information. Due to the limitation of experimental conditions, the number of the concentration of glucose solution is not much, some errors still exist in the process of data processing. Keywords Transmission rate Absorbance Principal component analysis
目 次
1绪论1
1.1 混浊介质中测量葡萄糖浓度的研究背景1
1.2 研究方法和研究进度概述1
1.3 本文研究的内容3
2理论基础4
2.1 红外光谱法原理4
2.2 主成分分析法原理6
2.3 紫外可见分光光度计原理7
3实验8
3.1 实验步骤及内容8
3.2 数据处理9
3.3 小结23
4总结和展望25
4.1 总结25
4.2 展望25
致谢26
参考文献27
1 绪论 1.1 混浊介质中测量葡萄糖浓度的研究背景 随着科学技术的快速发展，人们的生活质量不断提高，人们也越来越重视自身及周边人群在健康方面出现的问题，特别是老年人的身体健康状况，成为了全社会关注的焦点。糖尿病因为它对人的危害仅次于癌症而备受关注。根据最新数据显示，中国患糖尿病的人口总数居世界第一位，有9000 多万患此病者另有 1.5亿患者处于糖尿病前期；根据世界卫生组织不完全统计，全球范围内患有糖尿病的人口数接近1.77 亿。按照目前统计的数据趋势发展下去，预测20年后，全球患有糖尿病的人数将达到4亿增加近1 倍[1]。 糖尿病在现阶段并没有合理有效的治愈方案，而且是属于的患病周期长的全身疾病。它是因为人体内部缺少胰岛素从而导致内分泌疾病或代谢失常性疾病。病症最开始的体现为身体内部血糖浓度调节失控使得组织发生异常从而使得体内代谢发生紊乱。进一步引发心脑血管病变、肾病、糖尿病酮症、眼病等一系列的并发症[2]。现阶段世界卫生组织推荐的治疗糖尿病的主要方法是通过对患者进行血糖浓度的监视测量，及时地调整相应药物的用量，从而达到防止或减少并发症的发生几率的目的。而目前的血糖检测方法都需要进行抽血，而采血容易使得患者感觉疼痛而抵触并必须冒着被感染的危险，更何况频繁抽血还意着要频繁用针扎来取血，因此对于血糖测定的频率和药物剂量的精确调节有着很大的限制，在医学上很难得到较为令人可接受的治疗结果。因此在这个背景下进行了用光学的方法进行没有创伤的血糖监测技术的研究。最近几年，针对这一项课题的深入探索已经成为了各个科技比较发达国家的研究开发热点。我国在科技创新基金资助、国家自然科学基金方面也曾多次涉及[3]。 1.2 研究方法和研究进度概述 目前，无创伤血糖的监测在国际上是一个具有前沿性的研究的。检测的方法主要有旋光法、光散射系数法、拉曼光谱法、多参数综合计算法、红外光谱法等。 旋光法主要是通过判断物质的光学活性来测量溶液浓度。美国德州农工大学的一个项目组针对旋光法做了很多的工作，他们利用该方法来测量眼前房水组织中葡萄糖的浓度，由于偏振光在入射含有旋光效应的葡萄糖溶液时，偏振光的偏振面会发生一定角度的变化且与葡萄糖浓度成比例，所以对于葡萄糖浓度可以通过检测偏转的角度来计算。然而由于光谱测量剂量的限制，使得测量信号弱测量人眼过于困难，不容易被患者接受，缺乏良好的实验条件等原因，旋光法的应用目前尚无较大的进展[4]。 拉曼光谱法的原理是通过利用有着不同频率的入射光的散射光谱进行分析，检测散射光的光学频移变化来获得分子转动、振动方面信息，并将之应用到物质组成分子的化学结构的研究分析。它在测量人体内部组织中的构成成分研究方面还处于开始阶段，但在离体组织方面比较成熟，研究人员发表了较多的研究成果报告。利用拉曼散射光谱来测量血糖浓度的优势有：拉曼光谱在葡萄糖分子结构上具有良好的特征性，光谱不存在重叠现象；水的拉曼光谱对实验的影响不是十分明显。但因为光散射系数的改变使得组织之间折射率出现不相搭配现象而且与葡萄糖的浓度并没有直接的特殊性关系。散射系数受到人体组织内部其他的生理成分改变的干扰。截止到目前，尚未出现拉曼光谱法用于非离体组织内部某种成分浓度测量的临床数据在学术论坛上发表[5]。 光散射系数法的原理是基于血糖浓度的变化和人体组织中约化散射系数的改变之间存在相关性。目前出现了一种新的无创测量方法，即使用光学相干层析成像的方法来测量组织的散射系数变化。这项研究迄今为止只有一些少量的反映散射系数变化趋势的研究结果，而并没有进一步的发展。 因此，就现阶段可以依据的报告结果来看，还无法预测光散射系数法的应用未来[6]。 日本日立公司最近公开了的一种被称作多参数综合计算方法的无创伤检测血糖浓度的技术。该公司曾经发表了一系列的相关研究论文和有关的技术成果报告, 阐述了一种综合运用血流速度、温度等参数计算血糖浓度的无创伤检测方案, 并开发了相对应的机械。虽然这种法在一定程度上具有独创性, 但就目前发表的研究成果来看,其测量原理的适用性还无法确定, 具体价值及应用前景也需要进一步的观察和求证[7]。 光声光谱法是一种基于使用近红外的激光脉冲入射人体的组织，使之发生热作用，即使得组织局部温度产生改变。通过测量其改变量来分析人体组织的各构成物质浓度的一种测量方法。首先将近红外的激光脉冲照射人体，人体组织的内部会由于各自组成成分的分子对光的吸收效果不同，从而使得不同部分的温度不同，局部可能温度较高，当温度持续上升从而引起组织部位热膨胀后，就能通过放置在组织表面的温度和压力传感器检测出超声压力波，即光声信号。结合组织构成中，不同分子能够产生各自特定的光声信号的频率与幅度，利用它们之间的关系，就可以得出组织中包含的某一种特定成分的浓度。这种方法因为其很高的灵敏性，而且对于组织内部出现的成分的改变比较敏感，因此在检测器方面需要一个灵敏度比较高的体外传感器。现阶段，在离体研究方面运用光声光谱法比较多，但只有少量的研究成果发表[8]。 1.3 本文研究内容 由于缺乏特异性，本文旨在将近红外光谱与偏振法结合测量混浊介质中葡萄糖浓度。本文具体研究了：熟悉紫外可见分光光度计实验的原理，实验中分别测量在透明介质和混浊介质下不同葡萄糖溶液的透射率和吸光度与波长的关系。学习如何使用主成分分析法，将其应用于实验数据的处理过程。 掌握主成分分析法的过程在 MATLAB 中进行编程，处理实验数据。对实验后通过主成分分析得到的数据进行分析和验证，最后总结实验和阐述主成分分析法的优缺点。