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1、近紅外透射光譜測量中溫度校正方法 的研究 目錄 課題研究的 背景和意義 溫度對于光 譜影響的物 理基礎與定 量測量 消除近紅外 光譜溫度影 響的方法研 究 總結與展望 一、課題研究的背景和意義 課題研究的背景和意義 無 損耗 快速 高 效 可實時 監測 可多次 測量 近紅外無創血 糖測量的優勢 缺點之一 易受干擾 課題研究的背景和意義 干擾 溫度影 響 濕度影 響 其他干 擾 儀器漂 移 測量位 置改變 二、 溫度對于光譜影響的物 理基礎 與定量測量 溫度對于光譜影響的物理基礎 與定量測量 在純吸收介質中 令 以葡萄糖水溶液的吸光度為例，當溫度與濃度同時變化，吸光度變化量為 則 因此可將葡萄糖
2、水溶液中的溫度影響分為兩部分 溫度對水的影響部分 溫度對葡萄糖的影響部分 溫度對于光譜影響的物理基礎 與定量測量 4000mg/dL葡萄糖水溶液不同溫度下的吸光度曲線 溫度對于光譜影響的物理基礎 與定量測量 葡萄糖濃度 1 變化對 葡萄糖的影 響 AT,g 基準溫度下該 濃度葡萄糖引 起吸光度變化 溫度變化引 起的葡萄糖 濃度誤差 相對誤差百 分比 1000mg/dL -0.000093 -0.00234 37mg/dL 3.7% 2000mg/dL -0.00017 -0.00437 78mg/dL 3.9% 3000mg/dL -0.00020 -0.00742 82mg/dL 2.7%
3、4000mg/dL -0.00027 -0.0105 109mg/dL 2.7% 5000mg/dL -0.00042 -0.0134 157mg/dL 3.1% 1156nm處葡萄糖水溶液中的吸光度變化量 溫度對于光譜影響的物理基礎 與定量測量 在 1156nm吸收峰位置處， 1 溫度 變化引起的水吸光度變化 量相當于 1000mg/dL的葡萄糖濃度變化，遠大于單位溫度變 化引起的葡萄糖 吸光度變化 ，在 一定溫度范圍內， 線性疊加 到原溶液吸光度 上。溫度 變化引起吸光度改變部分與葡萄糖 濃度 變化引起的吸光度變化量在一定程度上相互獨立。 三、 消除近紅外光譜溫度影 響的方法研究 消除近紅
4、外光譜溫度影響的方法研究 1.測量數據 測量光譜數據矩陣 X X=XP+XQ+R XP,XQ,R分別對應有用信息響應，干擾信息響應，及冗余信息 去除冗余信息（光譜漂移等） 2.提取溫度 信息 取任一濃度的不同溫度的光譜數據分別與其基準溫度數據差分建立溫度差分矩陣 對于溫度協方差矩陣進行奇異值分解，選取右奇異矩陣的前 c列作為溫度信息，求取 干擾子空間 Q 3.提取有用 信息 從原始光譜 X中去除干擾響應 XQ得到有用的信息 XP作為新光譜數據 4.新光譜數 據建模 基準溫度下新光譜數據與偏最小二乘法結合建模預測所有溫度的數據 外部參數正交化方法（ EPO） 消除近紅外光譜溫度影響的方法研究 1
5、.測量數據 測量光譜數據矩陣 X，并將所有數據進行中心化 2.濾波變換 取任一溫度與基準溫度的不同濃度的光譜數據建立溫度差分矩陣 對于溫度協方差矩陣進行奇異值分解，將對角矩陣進行濾波變換 3.提取有用 信息 利用新對角矩陣與左奇異矩陣獲得濾波矩陣 G，新光譜矩陣為 GX 4.新光譜數 據建模 基準溫度 下新光譜數據用偏最小二乘法建模去預測所有溫度的數據 廣義最小二乘加權法 (GLSW) 消除近紅外光譜溫度影響的方法研究 葡萄糖水溶液不同建模方法的預測結果對比 建模預測方法 建模 樣品 數量 主成 分數 量 預處理 樣品數 量 預測均方根誤差（ RMSEP） 30 32 34 36 38 所有溫
6、度 直接用 30 的 數據建模 6 2 92.2 165.7 330.5 550.5 886.9 497.0 所有溫度的數 據全局建模 30 2 109.2 115.3 101.4 94.8 102.8 104.9 GLSW處理后 30 數據建模 6 1 12 119.5 126.3 111.1 104.2 113.1 106.9 EPO處理后 30 數據 建模 6 1 5 70.3 75.1 62.5 62.0 57.0 65.7 （溫度范圍是 30,32,34,36,38 ，濃度范圍 0,1000,2000,3000,4000,5000mg/dL） 消除近紅外光譜溫度影響的方法研究 外部參
7、數正交化處理前后的葡萄糖溶液吸光度（ 4000mg/dL） EPO 溫度差分 溫度差分 約 4% 約 0.04% 化學計量學方法消除近紅外光譜溫度影響的方法研究 仿 體（脂肪乳溶液）的 吸收光譜測量 化學計量學方法消除近紅外光譜溫度影響的方法研究 脂肪乳溶液不同建模方法的預測結果對比 建模預測方法 建模樣 品數量 主成分 數量 預測均方根誤差（ RMSEP） 30 32 34 36 38 所有溫度 用 30 的數據 直接 建模 6 2 180.2 237.9 398.4 634.6 892.2 537.9 全溫度 數據 的 全局 建模 30 2 210.2 202.5 194.3 194.1
8、186.4 197.7 EPO處理后 30 數據 建模 6 1 165.5 166.6 163.9 162.2 162.2 164.1 （溫度范圍是 30,32,34,36,38 ，葡萄糖濃度范圍 0,1000,2000,3000,4000,5000mg/dL） 化學計量學方法消除近紅外光譜溫度影響的方法研究 外部參數正交化處理前后的脂肪乳溶液吸收光譜 EPO 溫度差分 溫度差分 約 20% 約 5% 四、總結與展望 總結與展望 總結： 1.本文對于溶液中的吸光度進行了理論分析 與分解，分解后定量地分析了溫度對于溶質 和溶劑影響 2.采用外部參數正交化方法對于不同溫度下 葡萄糖水溶液與脂肪乳溶液的吸收光譜進行 了處理，改善了溫度干擾下的近紅外光譜預 測精度。 總結與展望 展望 1.本文提及的方法已驗證可應用于透射光譜 中的溫度校準，可以嘗試將本方法應用于混 濁介質或人體的反射光譜測量中 2.本方法可有效消除溫度干擾，可進一步實 驗將其應用到濕度，測量位置變化等外界干 擾的消除中。 請各位老師批評指正！
近紅外透射光譜測量中溫度校正方法的研究
