动态光谱数据质量评估及波长筛选新方法

摘要

血液成分的无创检测近年来一直是生物医学工程领域的热点方向之一，目前主要有近红外光谱法，拉曼光谱法等。但由于存在背景组织的干扰和个体间差异的影响，很多相关技术较难获得进一步发展。而利用光电容积脉搏波检测血液成分的动态光谱法因为从理论上排除了上述因素的影响而有着巨大的潜力。在动态光谱方法中，数据质量对模型结果有着至关重要的影响，因此，筛选高质量的数据是建模计算的首要问题。一种好的数据评估方法能够为动态光谱方法带来极大的便利，提高检测的精度。波长筛选在近红外光谱分析中有重要的意义，在选择自变量时一方面希望尽可能的包含有用信息，另一方面不希望模型过于复杂。经过多年的发展，动态光谱法得到了长足发展，但波长选取方面的研究一直少有涉足，因此本文提出了一种新的波长筛选方法减少了无创血红蛋白检测中的波长变量，简化了模型。论文在论述了动态光谱的基本原理及方法的基础上，主要包括了以下几个方面的内容。
　　设计制作了以LED作为补偿光源的动态光谱光源系统，并以此系统进行了临床实验，采集了被试者的光谱数据。
　　提出了一种光谱数据的质量评估方法，经仿真验证后分析了427例样本的光谱数据，随后采用分组对照选取样本，针对被试者的血红蛋白浓度建立了Bp神经网络模型，结果显示采用稳定因子筛选样本后建立的模型平均预测集相关系数为0.875，而未经筛选的样本预测集相关系数仅为0.715，模型的精度有了较大提高。
　　提出了一种基于变量投影重要性的波长筛选方法，通过分析PLS模型中各自变量的解释能力，将主导变量筛选出来，由此降低了模型的复杂度，减小了运算量，实验中以232例受试者的临床实验数据为基础，以血红蛋白含量为分析对象，将波长数由586降至64，筛选后血红蛋白预测模型的预测集平均相对误差1.82％，使用了极少的波长便可得到满意的结果;本研究首次指出了动态光谱法检测血红蛋白的敏感波长带。基于投影重要性分析的波长筛选迈出了动态光谱走向实用的重要一步，同时也为其他领域的光谱分析提供了重要的参考和新的思路。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 无创血液成分检测的目的和意义

1．2 无创血液成分检测的方法

1．2．1 非光学检测方法

1．2．2 光学检测方法

1．2．3 光学方法血液成分检测的技术要点

1．3 动态光谱方法的发展及研究现状

1．4 本文的研究目的和意义

1．5 本文的主要研究内容及结构

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 论文结构安排

第二章 动态光谱基本原理与光谱采集系统

2．1 动态光谱的基本原理

2．2 实验装置

2．3 数据测量对象及过程

2．4 数据预处理及动态光谱的提取

2．5 定量模型建立与模型评估

2．6 小结

第三章 基于稳定因子的光谱数据质量评估

3．1 数据质量评估的意义及相关研究

3．2 基于稳定因子的数据质量评估方法

3．3 仿真分析

3．4 实验验证

3．5 小结

第四章 基于VIP分析的波长筛选

4．1 波长筛选的意义及现有的相关方法

4．2 变量投影重要性(VIP)分析方法

4．3 数据处理与分析

4．3．1 数据预处理与DS提取

4．3．2 波长筛选

4．4 基于Bootstrap方法的模型检验

4．5 小结

第五章 全文总结

5．1 主要工作总结

5．2 课题展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢