專利名稱：一種基于近紅外光譜的人體內(nèi)酒精含量檢測方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于近紅外光譜的人體內(nèi)酒精含量檢測方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著交通行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人民生活水平的提高，酒后駕車導(dǎo)致的交通事故發(fā)生率急劇增加。因此，從主動安全角度出發(fā)，及時檢測駕駛員體內(nèi)酒精含量，禁止飲酒后駕駛?cè)藛T啟動汽車，成為減少和預(yù)防酒后駕車的有效手段。目前，檢測人體內(nèi)酒精含量較常用的手段為抽血檢驗法和呼氣檢驗法。抽血檢驗法由于直接檢測抽取的靜脈或者毛細(xì)血管血液樣本，檢測結(jié)果無其他因素影響，最為直接、準(zhǔn)確。但是抽血檢測醉酒駕駛過程中，抽取血液樣本，送至醫(yī)院或?qū)I(yè)檢驗部門，到檢測出結(jié)果，中間經(jīng)歷的時間較長，在此期間，酒精含量會變低，原本可能是“醉酒駕駛”的駕駛員可能變成“酒后駕駛”甚至是“無酒駕駛”。特別是當(dāng)涉嫌醉酒的駕駛員血液酒精含量處于臨界值左右的時候，結(jié)果很可能會出現(xiàn)偏差。雖然抽血檢驗本身是精確的， 但檢測結(jié)果不能實時的反映駕駛員體內(nèi)酒精含量，這是抽血檢驗法的一個弊端。另外，抽血檢驗法需要抽取血液樣本，屬于有創(chuàng)檢測，如果處理不當(dāng)，有傷口感染的風(fēng)險，被檢測人有抵觸情緒，操作不方便，檢測周期長，無法在現(xiàn)場定量確定駕駛員是否酒后違章駕駛。呼氣檢驗法，檢測的是口鼻中呼出氣體中酒精的含量，空氣中酒精含量與血液中酒精含量有一個對應(yīng)的比例系數(shù)。如專利號CN102004122A提出一種酒精檢測報警裝置， 用于檢測空氣中或者酒后駕駛?cè)藛T呼吸中酒精含量并產(chǎn)生報警，報警頻率隨著被測酒精濃度的變化而變化；專利號CN101162232提出一種手持微型酒精檢測器，電路由酒敏傳感器、高速開關(guān)集成電路、語言報警集成電路、電阻、電容、發(fā)光二極管、三極管、穩(wěn)壓二極管組成；專利號CN1811371提出一種由呼吸氣體中酒精含量檢測器的氣體進(jìn)樣方法；專利號 CN102117538A提出一種車載酒精檢測警示儀與遙控監(jiān)測裝置，是將酒精測試信息直接存儲在相應(yīng)的微電腦芯片上；專利號CN101125530提出一種車輛酒精檢測的方法和系統(tǒng)，酒精檢測儀和反應(yīng)時間檢測儀分別與車載電子控制單元連接，酒精檢測儀檢測車輛內(nèi)空氣中的酒精濃度，并把檢測結(jié)果發(fā)送給車載電子控制單元。呼氣法檢測儀中采用了單一的比例系數(shù)，而這個比例系數(shù)受個體生理結(jié)構(gòu)、種族及環(huán)境的影響，變化很大，因此，針對個體時，誤差較大，精確度差，檢測數(shù)據(jù)只能作為參考，不能作為司法依據(jù)，如當(dāng)事人對呼氣檢測結(jié)果有異議，需要進(jìn)行抽血檢驗，而該檢測需要抽血，容易引起當(dāng)事人心理上的對抗，耗時相對較長。當(dāng)被檢測對象口中含有酒精殘留時，會使得測量結(jié)果偏高，當(dāng)被檢測對象打嗝或者嘔吐時，影響更加明顯，更有甚者，被查到的司機(jī)為逃避醉酒駕駛的懲罰，在停車檢測前會飲酒干擾檢測，這將使得檢測結(jié)果嚴(yán)重失真，造成錯誤判斷。呼氣檢測時要求被檢測對象在一定時間段內(nèi)持續(xù)向檢測儀呼氣，無法連續(xù)測量。本發(fā)明與以上公開號發(fā)明的區(qū)別在于本發(fā)明檢測的是皮膚血液酒精近紅外光譜信息，可提供一種人體內(nèi)血液酒精的無損實時檢測方法。公開論文“白酒酒精度近紅外光譜快速檢測法”(檢測技術(shù)，2006. 12)，提出采用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合偏最小二乘法(NITS-PLQ建立乙醇含量的定量數(shù)學(xué)模型，開發(fā)白酒酒精度
4的快速檢測法”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的針對現(xiàn)有酒精檢測法局限性，本申請?zhí)峁┝艘环N基于近紅外光譜的人體內(nèi)酒精檢測方法及系統(tǒng)，該方法不僅可以快速、實時、無創(chuàng)的檢測出人體內(nèi)酒精含量，而且能接近抽血檢驗法的精度。為達(dá)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種基于近紅外光譜的人體內(nèi)酒精檢測方法，包括以下步驟步驟A 采用透反射方式采集不同濃度酒精溶液的近紅外光譜信息，建立體外校正樣本集；步驟B 采用反射方式采集人體皮膚內(nèi)酒精近紅外光譜信息，建立體內(nèi)校正樣本集；步驟C 通過小波分析法對獲得的人體內(nèi)酒精反射光譜進(jìn)行去噪聲處理；步驟D 基于體內(nèi)體外酒精近紅外光譜信息，建立偏最小二乘法(PLS)校正模型；步驟E 基于所述校正模型，預(yù)測人體內(nèi)酒精含量。采用透反射方式采集不同濃度酒精溶液的近紅外光譜信息，測量校正樣本集中的樣本在1000-2500nm近紅外范圍的連續(xù)光譜，分析酒精在近紅外光譜區(qū)的吸收特征，確定酒精在近紅外光譜區(qū)的最佳吸收譜區(qū)。采用反射法采集人體酒精近紅外反射光譜信息，近紅外特征波長范圍在2200nm 到2400nm之間。采用小波分析法去除樣本集內(nèi)噪聲及其它成分包括水、葡萄糖、血紅蛋白等；通過小波分析法對獲得的人體內(nèi)酒精反射光譜進(jìn)行去噪聲處理，步驟包括信號分解將近紅外光譜信息通過小波變換進(jìn)行K個尺度的分解(這里K = 3)，可將信號分解為高頻成分(頻率大于20Hz)和低頻成分(頻率小于20Hz)；可判定尺度1至尺度2的變換包含信號的高頻成分，主要是噪聲；尺度3的變換同時包含信號和噪聲成分； 同時得到小波系數(shù)Wtl;閾值處理對小波系數(shù)Wtl作閾值處理，選擇缺省去噪策略的硬閾值去噪方法進(jìn)行除噪；信號重構(gòu)把主要反映噪聲頻率的尺度(這里是尺度1和2)的小波變換去掉，再把剩余各尺度的小波變換結(jié)合起來作逆變換，就能得到較好地抑制了噪聲的信號；對濾波后且只含有信號成分的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，得到體內(nèi)酒精近紅外光譜信息。步驟A、采集體外校正樣本集樣本(不同濃度酒精溶液)，采用透反射方式測量校正樣本集中的樣本在1000-2500nm近紅外范圍的連續(xù)光譜，分析酒精(乙醇)在近紅外光譜區(qū)的吸收特征，確定酒精在近紅外光譜區(qū)的最佳吸收譜區(qū)以及吸光度與酒精濃度的定量關(guān)系。本發(fā)明采用通用光譜儀，對樣本進(jìn)行連續(xù)光譜測量。根據(jù)以上采集數(shù)據(jù)計算出吸光度，作為建立體外校正模型的光譜數(shù)據(jù)。吸光度的計算公式如下
權(quán)利要求
1.一種基于近紅外光譜的人體內(nèi)酒精含量檢測方法，其特征在于，包括以下幾個步驟步驟A 采用透反射方式采集不同濃度酒精溶液的近紅外光譜信息，建立體外校正樣本集；步驟B 采用反射方式采集人體皮膚內(nèi)酒精近紅外光譜信息，建立體內(nèi)校正樣本集； 步驟C 通過小波分析法對獲得的人體內(nèi)酒精反射光譜進(jìn)行去噪聲處理； 步驟D 基于體內(nèi)體外酒精近紅外光譜信息，建立偏最小二乘法校正模型； 步驟E 基于所述校正模型，預(yù)測人體內(nèi)酒精含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于近紅外光譜的人體內(nèi)酒精含量檢測方法，其特征在于， 采用透反射方式采集不同濃度酒精溶液的近紅外光譜信息，測量校正樣本集中的樣本在 1000-2500nm近紅外范圍的連續(xù)光譜，分析酒精在近紅外光譜區(qū)的吸收特征，確定酒精在近紅外光譜區(qū)的最佳吸收譜區(qū)；采用反射法采集人體酒精近紅外反射光譜信息，近紅外特征波長范圍在2200nm到2500nm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于近紅外光譜的人體內(nèi)酒精含量檢測方法，其特征在于， 通過小波分析法對獲得的人體內(nèi)酒精反射光譜進(jìn)行去噪聲處理，步驟包括信號分解將近紅外光譜信息通過小波變換進(jìn)行K個尺度的分解，將信號分解為高頻成分和低頻成分，同時得到小波系數(shù)Wtl ；閾值處理對小波系數(shù)Wtl作閾值處理，選擇缺省去噪策略的硬閾值去噪方法進(jìn)行除噪；信號重構(gòu)把主要反映噪聲頻率的尺度的小波變換去掉，再把剩余各尺度的小波變換結(jié)合起來作逆變換，就得到較好地抑制了噪聲的信號；對濾波后且只含有信號成分的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，得到體內(nèi)酒精近紅外光譜信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述信號分解的步驟為信號分解步驟中 K = 3，頻率大于20Hz為高頻成分；頻率小于20Hz為低頻成分；尺度1至尺度2的變換包含信號的高頻成分，主要是噪聲；尺度3的變換同時包含信號和噪聲成分；信號重構(gòu)步驟中尺度1和2為主要反映噪聲頻率的尺度的小波變換。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述信號分解的步驟為對采集的原始信號進(jìn)行二進(jìn)小波變換，二進(jìn)小波變換是通過正交鏡像濾波器H和L的單位脈沖響應(yīng)計算的，H為帶通濾波器組，L為低通濾波器組，h(n)和g(n)分別為帶通和低通濾波器組的單位脈沖響應(yīng)，η為從1-100的自然數(shù)，根據(jù)Mallat構(gòu)造的能夠快速實現(xiàn)的離散二進(jìn)小波變換，二進(jìn)小波變換的快速分解算法為
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述閾值處理的步驟為二進(jìn)小波在各分解尺度的閾值為
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述信號重構(gòu)的步驟為二進(jìn)小波變換的快速重構(gòu)算法為
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用偏最小二乘法建立酒精含量校正模型，主成分?jǐn)?shù)目確定采用PRESS法，PRESS是這樣計算的使用一定數(shù)目的主成分建立一個模型，然后用這個模型對參加建模的每個樣本進(jìn)行預(yù)測，求出每個樣本的預(yù)測值和已知值的差，PRESS的計算公式為
9.一種基于近紅外光譜的人體內(nèi)酒精含量檢測系統(tǒng)，其特征是，包括近紅外光源，近紅外光源與光纖探頭相連，光纖探頭與分光系統(tǒng)相連，分光系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與顯示屏相連。
10.如權(quán)利要求9所述的基于近紅外光譜的人體內(nèi)酒精含量檢測系統(tǒng)，其特征是， 光纖探頭采用反射型光纖探頭，其包括入射光纖和反射光纖，發(fā)射波長范圍從2200nm到 2500nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于近紅外光譜的人體內(nèi)酒精含量檢測方法及系統(tǒng)。本系統(tǒng)由光源、光纖探頭、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)字顯示模塊組成。根據(jù)酒精分子C-O、C-C等鍵基團(tuán)近紅外吸收光譜與酒精含量的定量關(guān)系，該發(fā)明通過光學(xué)傳感器探頭檢測皮膚血液中酒精反射光譜，并對其進(jìn)行小波分析除噪后，將人體酒精的光譜特征和酒精含量建立定量關(guān)系，建立偏最小二乘法(PLS)校正模型，以達(dá)到檢測人體內(nèi)酒精含量的目的。
文檔編號A61B5/1455GK102525481SQ20111041868
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者張明, 李增勇, 李建勇, 羅斯特, 陳國強(qiáng) 申請人:山東大學(xué), 張明