一种基于多源体表信号融合的无创糖代监测方法及系统与流程

本发明涉及血糖监测，具体涉及一种基于多源体表信号融合的无创糖代监测方法及系统。

背景技术：

1、无创糖代谢监测是糖尿病长期管理的重要方向。现有技术主要存在以下缺陷：

2、现有血糖监测设备普遍依赖有创采样数据，算法完全依赖血液样本，不能直接用皮肤表面信号反演血糖，用户依从性差。

3、现有无创监测方案多采用单一信号维度或多种传感器的简单并联，未考虑皮肤温度、湿度作为耦合状态变量对光学散射基线与阻抗基线的动态调制，也未考虑多波长光学在皮肤层间存在的部分体积效应混叠，将多波长信号视为同维度数据简单拼接，导致层特异性信息丢失，抗干扰能力弱、测量精度偏低。

4、现有方案采用固定算法模型，无动态校正，不能自适应个体差异，长期使用误差累积、漂移严重，个体适配性差。

5、现有方案未考虑组织液作为血液与体表信号之间的中间层，其葡萄糖浓度存在从真皮层到角质层的梯度分布和动态扩散延迟，直接映射导致动态跟踪时出现系统性延迟。

6、现有方案采用固定采样周期与固定休眠策略，持续高频采样、中央处理器高负载，无休眠降频策略，设备功耗高、续航短。

7、现有方案多依赖外部终端进行模型推理，嵌入式端独立解算能力差，断连即失效，离线功能弱、稳定性不足。

8、本发明针对上述问题，提出一种基于多源体表信号融合的无创糖代监测方法及系统，通过端云协同架构实现无创、低功耗、高稳定、大算力支撑的精准监测。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是现有无创糖代谢监测中皮肤干扰大、多源信号混叠失真、个体动态延迟不可追踪及长期漂移严重导致精度低、续航短的技术问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于多源体表信号融合的无创糖代监测方法，具体包括以下步骤：

3、s1.响应监测触发，预采温度、湿度、多频阻抗及双波长反射率构建血液灌注当量指数，偏离时经阻抗电极施加低频微电流热刺激并追踪恢复曲线至落入理想窗口，稳定后采集多波长信号联合预处理生成标准化特征向量并上传；

4、s2.云端基于标准化特征向量建立物理状态解耦模型，提取多维干扰基线进行补偿消除与背景吸收扣除，并提取代谢热滞后及离子迁移特征；基于层间解混参数矩阵提纯各皮层纯净光学特征并拼接生成多源融合特征向量；进行跨物理场代谢反演与滞后相位动态估计，计算漂移因子与状态修正系数生成初步校准血糖值；

5、s3.云端基于用户历史增量偏差模式及led老化光谱漂移补偿向量对初步校准血糖值二次校准生成糖代谢监测值回传；端侧基于恢复时间变化率调整热刺激参数，基于糖代谢监测值变化趋势生成时空稀疏采样策略与休眠阈值，降频进入深度休眠等待唤醒。

6、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

7、进一步，所述s1具体包括：

8、s11.响应监测触发，启动低分辨率预扫描，采集皮肤温度、皮肤湿度、多频皮肤阻抗及两个特征波长的光学反射率信号，基于阻抗双频比值与光学双波长比值加权融合构建实时血液灌注当量指数；

9、s12.将所述实时血液灌注当量指数与预设的灌注当量理想窗口比较，若偏离则通过皮肤阻抗电极施加低频微电流热刺激，加热结束后进入冷却期，持续追踪血液灌注当量指数的动态恢复曲线；

10、s13.当动态恢复曲线连续多个采样点落入灌注当量理想窗口后，判定灌注当量指数稳定，结束冷却期并无缝切换至高分辨率正式采集，同步并行采集六个特征波长的光学反射率信号及温度、湿度、阻抗信号，生成多源体表信号数据集；

11、s14.对所述数据集进行联合预处理，包括滑动平均滤波、小波去噪、异常值剔除、信号归一化及基线校正，生成标准化特征向量，所述基线校正采用滑动窗口多项式拟合扣除趋势项，所述滑动窗口时长为20s，以保留0.05hz以上的预设生理频段信号成分；记录所述动态恢复曲线中的恢复时间及各波长led光源的累计运行时长，将标准化特征向量、恢复时间与累计运行时长上传至云端服务器。

12、进一步，所述s12具体包括：

13、s121.将实时血液灌注当量指数与预设的灌注当量理想窗口进行比较，所述理想窗口包含上限阈值与下限阈值；

14、s122.当实时血液灌注当量指数低于下限阈值或高于上限阈值时，判定偏离理想窗口，嵌入式主控单元启动低频微电流热刺激输出，所述热刺激的功率和时长根据偏离程度动态调整，偏离程度越大则功率越高、时长越长；

15、s123.低频微电流热刺激结束后进入冷却期，以不低于预扫描阶段采样频率的速率持续采集皮肤阻抗信号与双波长光学反射率信号，重新计算血液灌注当量指数，生成动态恢复曲线。

16、进一步，所述s2中，云端基于标准化特征向量建立物理状态解耦模型，提取多维干扰基线进行补偿消除与背景吸收扣除，并提取代谢热滞后及离子迁移特征，具体包括：

17、s211.云端建立皮肤角质层糖基化-水合-阻抗三维耦合干扰场与汗液电解质脉冲离散阶跃模型，从标准化特征向量中提取皮肤湿度信号的汗液电解质脉冲离散阶跃时刻、皮肤温度信号预设频带功率谱峰值的微血管自律性波动基线、皮肤阻抗信号低频漂移分量的糖基化干扰基线以及由阻抗高频分量与湿度瞬态响应联合估算的电解液膜时变厚度；

18、s212.对皮肤温度信号一阶差分并结合热刺激后衰减时间常数与稳态温差估算皮肤-组织液热传导滞后时间常数作为代谢热滞后特征，对阻抗信号频域分解提取离子迁移特征；

19、s213.基于离散阶跃时刻对阻抗信号进行阶跃响应补偿，基于电解液膜时变厚度对补偿后阻抗信号进行界面阻抗归一化修正消除汗液突变干扰，基于微血管自律性波动基线对光学反射率信号进行微循环灌注相位调制消除，基于糖基化干扰基线对光学反射率信号进行角质层背景吸收补偿，生成物理状态解耦特征向量。

20、进一步，所述s2中，基于层间解混参数矩阵提纯各皮层纯净光学特征并拼接生成多源融合特征向量，具体包括：

21、s221.基于六个特征波长在皮肤组织中的差异化穿透深度与多次散射路径相关性，建立层间混叠解卷积与记忆效应去相关模型；

22、s222.将物理状态解耦特征向量中的光学反射率信号输入层间混叠解卷积与记忆效应去相关模型，利用波长间记忆效应统计相关性进行层间信号提纯，提取各皮层纯净光学特征；

23、s223.将各皮层纯净光学特征与代谢热滞后特征、离子迁移特征、微血管自律性波动基线拼接为多源融合特征向量。

24、进一步，所述s222具体包括：

25、s222a.构建多输入多输出的盲解卷积模型框架，定义各波长测量信号为不同皮层源信号经混叠矩阵变换后的观测值；

26、s222b.通过计算各波长通道间的互信息函数，估计波长间记忆效应统计相关性，建立去相关约束项，形成层间混叠解卷积与记忆效应去相关模型的完整目标函数；

27、s222c.采用非负矩阵分解算法迭代求解层间混叠解卷积与记忆效应去相关模型的目标函数，获得解混矩阵；

28、s222d.利用解混矩阵对六通道测量信号进行线性变换，分离出各皮层源信号的波形估计，输出表皮层、真皮浅层和真皮深层的光学特征分量。

29、进一步，所述s2中，进行跨物理场代谢反演与滞后相位动态估计，计算漂移因子与状态修正系数生成初步校准血糖值，具体包括：

30、s231.将多源融合特征向量输入预先训练的多变量线性回归与随机森林融合模型，输出血糖初始估算值；

31、s232.将代谢热滞后特征作为状态向量中的热扩散状态分量，将血糖初始估算值作为观测输出，将微血管自律性波动基线的功率谱密度峰值幅度经预设灌注速率换算系数映射为微循环灌注速率，作为状态转移方程中的时变增益系数，构建以组织液葡萄糖浓度为隐藏状态、以血糖初始估算值作为组织液葡萄糖浓度的带噪近似观测输出的状态空间模型，血液葡萄糖浓度由组织液葡萄糖浓度经滞后时间常数延迟映射得到；

32、s233.采用增广状态卡尔曼滤波算法，将滞后时间常数增广至状态向量中，与组织液葡萄糖浓度进行联合递推估计，动态输出组织液葡萄糖浓度估计序列及个体化组织液-血液葡萄糖滞后相位；

33、s234.读取组织液葡萄糖浓度估计序列，结合个体化组织液-血液葡萄糖滞后相位，通过预设滞后补偿模型换算得到血液葡萄糖浓度估计序列，再结合用户历史血糖数据序列及当前皮肤温度与皮肤湿度，采用指数加权移动平均法计算长期生理漂移因子与短期状态修正系数；将所述血液葡萄糖浓度估计序列与长期生理漂移因子、短期状态修正系数相乘，生成初步校准血糖值。

34、进一步，所述s3具体包括：

35、s31.云端服务器基于各波长led光源的累计运行时长与预设老化衰减曲线，计算led老化光谱漂移补偿向量；基于用户历史数据序列的增量偏差模式，计算个体化增量校准因子；

36、s32.利用个体化增量校准因子对初步校准血糖值进行偏差修正；依据多变量线性回归子模型的回归系数矩阵，将修正后的血糖值分解为依赖光学特征的血糖估算分量与非光学特征估算分量；利用led老化光谱漂移补偿向量对依赖光学特征的血糖估算分量进行幅值还原，将还原后的光学特征估算分量与非光学特征估算分量加权融合，生成糖代谢监测值；将糖代谢监测值、滞后相位及个体化增量校准因子回传至嵌入式主控单元；

37、s33.嵌入式主控单元基于恢复时间更新历史滑动窗口，计算恢复时间变化率，动态调整下一周期的低频微电流热刺激功率与时长；基于糖代谢监测值变化趋势、滞后相位及通信质量，生成时空稀疏采样策略与通信中断容错休眠阈值；

38、s34.根据时空稀疏采样策略设置唤醒定时器，关闭传感器及通信模块电源，降频进入深度休眠，等待下一周期唤醒。

39、进一步，所述s33具体包括：

40、s331.嵌入式主控单元将每次采集周期记录的恢复时间存入固定长度的历史滑动窗口，当窗口存满后采用最新值覆盖最旧值，计算窗口内恢复时间的均值和标准差，定义恢复时间变化率为当前恢复时间相对于均值的偏差与标准差的比值；

41、s332.当恢复时间变化率低于第一阈值时，判定血流响应趋于稳定，按预设步长减小下一周期低频微电流热刺激的功率并缩短时长；当恢复时间变化率高于第二阈值时，判定血流响应退化，按预设步长增加热刺激功率并延长时长；所述第一阈值小于第二阈值，两者之间定义稳态维持区间；

42、s333.解析糖代谢监测值的时间序列，计算其一阶差分绝对值作为变化趋势度量，当变化趋势度量低于平稳阈值时生成稀疏采样标识，否则生成密集采样标识；

43、s334.读取端侧通信模块的信号强度指示以评估数据传输可靠性，读取个体化组织液-血液葡萄糖滞后相位以评估代谢动态对齐需求；综合所述数据传输可靠性与代谢动态对齐需求生成时空稀疏采样策略与通信中断容错休眠阈值：当通信质量低于中断容忍阈值时，优先启用本地缓存策略并延长休眠时长，同时生成通信中断容错休眠阈值，该阈值定义在无网络覆盖状态下设备可自主维持的最大连续采集周期数；当滞后相位超过动态阈值时，优先采用密集采样标识；综合上述稀疏采样标识或密集采样标识、通信中断容错休眠阈值及本地缓存策略，生成最终的时空稀疏采样策略与休眠控制指令。

44、一种基于多源体表信号融合的无创糖代监测系统，用于实现一种基于多源体表信号融合的无创糖代监测方法，包括：esp32主控、温湿度传感器、皮肤阻抗电极、多波长光学传感器、lcd、蜂鸣器、4g模块及电源管理，多波长光学传感器包括中心波长为660nm、905nm、1200nm、1300nm、1450nm和1550nm的六个通道；具体为：

45、端侧多源信号采集与预处理模块，由所述esp32主控调度温湿度传感器、皮肤阻抗电极及多波长光学传感器实现，被配置为响应监测触发，预采温度、湿度、多频阻抗及660nm与905nm双波长反射率构建血液灌注当量指数，偏离时通过所述皮肤阻抗电极施加低频微电流热刺激并追踪恢复曲线至落入理想窗口，稳定后由所述多波长光学传感器采集六波长信号联合预处理生成标准化特征向量，通过所述4g模块上传至云端服务器；

46、云端物理状态解耦与层间提纯模块，被配置为基于标准化特征向量建立物理状态解耦模型，提取汗液离散阶跃时刻、微血管自律性波动基线及糖基化干扰基线进行补偿消除与背景吸收扣除，并提取代谢热滞后特征与离子迁移特征，生成物理状态解耦特征向量；基于层间解混参数矩阵建立层间信号提纯模型提取各皮层纯净光学特征并拼接多源融合特征向量；

47、云端代谢反演与校准模块，被配置为进行跨物理场代谢反演与滞后相位动态估计，计算漂移因子与状态修正系数生成初步校准血糖值；基于用户历史增量偏差模式及led老化光谱漂移补偿向量对初步校准血糖值二次校准生成糖代谢监测值，通过所述4g模块回传至esp32主控，由所述esp32主控控制lcd显示糖代谢监测值并控制蜂鸣器输出提示信号；

48、端侧策略控制与低功耗管理模块，由所述esp32主控结合电源管理实现，被配置为基于恢复时间变化率调整低频微电流热刺激参数，基于糖代谢监测值变化趋势生成时空稀疏采样策略与休眠阈值，并通过所述电源管理关闭温湿度传感器、皮肤阻抗电极、多波长光学传感器及4g模块的电源，将所述esp32主控降频进入深度休眠等待唤醒。

49、本发明的有益效果是：

50、1.预采双频阻抗与双波长光学反射率构建血液灌注当量指数，以低频微电流热刺激调控皮肤微循环并追踪恢复曲线至理想窗口，确保采集前血流稳态；建立三维耦合干扰场解耦汗液脉冲阶跃、微血管自律性波动及糖基化干扰，消除皮肤微环境对多源信号的耦合调制。

51、2.基于六波长差异化穿透深度建立层间混叠解卷积与记忆效应去相关模型，利用非负矩阵分解迭代求解解混矩阵，对六通道光学信号进行层间提纯，分离表皮层、真皮浅层和真皮深层纯净光学特征，突破现有技术将多波长信号简单拼接的局限，保留层特异性生理信息。

52、3.构建以组织液葡萄糖浓度为隐藏状态的状态空间模型，采用增广状态卡尔曼滤波联合递推估计个体化滞后相位；结合单用户历史增量偏差与led老化光谱漂移补偿进行二次校准，抑制长期漂移并适配个体差异，使糖代谢监测值误差稳定在±0.5mmol/l以内，消除光源老化失配。

53、4.端侧基于恢复时间变化率动态调整热刺激参数，基于糖代谢监测值变化趋势与通信质量生成时空稀疏采样策略与休眠阈值，在代谢平稳期执行稀疏采样并快速进入深度休眠，显著降低整机功耗，延长设备续航至15天以上，实现端云协同闭环。