近红外光谱波长优化方法及其在高脂血症指标分析的应用

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高脂血症(Hypelipidemia)是多种重大疾病的主要诱因。总胆固醇(TC)与甘油三酯(TG)是高脂血症临床检测的两个重要指标,现有方法需要生化试剂,且不同指标需要采用不同方法,要求较高专业操作技能。研究无需试剂的多指标同时分析方法对于大人群日常血脂检测具有重要应用价值。近年来,有文献报道了近红外(NIR)光谱用于高脂血症指标分析的研究,但是相关方法不够完善,精度尚未达到临床应用的要求。相关化学计量学方法用于模型精度的改进一直是这方面的研究热点。以高脂血症指标(TC、TG)的高精度近红外检测为目标,研究新型化学计量学方法,通过大量的光谱实验和计算机实验,构建高信噪比波长模型和高精度定量模型,为NIR光谱用于大人群血脂筛查提供技术支撑。研究近红外光谱应用于上述临床医学分析的化学计量学方法,包括具有稳定性的新型建模体系的构建,连续(改进的移动窗口偏最小二乘,MW-PLS)、准连续(等间隔组合多元线性回归,EC-MLR)和离散型(伙伴波长组合)波长筛选方法的研究,并设计相关的计算机算法平台用于模型实验。以土壤锌的近红外光谱分析为例,检验了所建立的方法体系的可行性;进一步应用于人血清的高脂血症指标(TC、TG)的近红外光谱分析。在下列几方面取得成果:1.基于随机性、相似性和稳定性,构建包括定标、预测和检验过程的新型建模体系,建立可靠的分析模型。基于定标集和预测集的多个划分,建立具有稳定性的改进MW-PLS方法、EC-MLR方法和伙伴波长组合方法等。研究光谱波长选择的稳定性、等效性等新问题。成功应用于土壤中锌含量的近红外光谱分析。2.利用改进的MW-PLS方法进行人血清的高脂血症指标(TC、TG)的连续型近红外波长优选。通过模型实验,比较所有连续波段的平均预测效果(M_SEPAve)和预测稳定性(M_SEPStd),进一步确定最优波段和等效最优波段。TC对应的最优波段是1556~1852nm,等效最优波段53个;TG对应的最优波段是1540~1858nm,等效最优波段390个;并找到TC、TG公共的等效最优波段为1556~1852nm,作为两个指标的共同信息波段。在检验集中,采用公共等效最优波段PLS模型对TC、TG指标进行检验;光谱预测值与临床实测值的检验效果(V_SEP、V_RP)分别为0.184mmol L-1、0.988(TC)和0.097mmol L-1、0.997(TG);进一步得到光谱预测对于高脂血症诊断的灵敏度、特异性和总判别率分别为94.8%、86.8%和91.7%;3.利用提出的EC-MLR方法进行TC、TG的准连续型近红外波长优选。通过模型实验,比较所有准连续波长组合的M_SEPAve和M_SEPStd,进一步确定最优准连续波长组合和等效最优准连续波长组合。TC对应的最优准连续波长组合为1658,1670,1682,1694,1706,1718,1730,1742,1754,1766nm,等效最优准连续波长组合有29个;TG对应的最优准连续波长组合为1670,1682,1694,1706,1718,1730,1742,1754,1766nm,等效最优准连续波长组合有22个;并找到TC、TG公共的等效最优准连续波长组合为1658,1670,1682,1694,1706,1718,1730,1742,1754,1766nm作为两个指标的共同信息波长组合。在检验集中,采用公共等效最优准连续波长组合MLR模型对TC、TG指标进行检验;光谱预测值与临床实测值的检验效果(V_SEP、V_RP)分别为0.231mmol L-1、0.983(TC)和0.139mmol L-1、0.993(TG);光谱预测的灵敏度、特异性和总判别率分别为94.8%、89.5%和92.7%;4.利用伙伴波长方法进行TC、TG的离散型近红外波长优选。通过模型实验,比较所有离散伙伴波长组合的M_SEPAve和M_SEPStd,进一步确定离散最优伙伴波长组合。得到TC对应的最优伙伴波长组合(23波长)、TG对应的最优伙伴波长组合(24波长)。在检验集中,TC和TG采用各自最优伙伴波长组合PLS模型进行检验;光谱预测值与临床实测值的检验效果(V_SEP、V_RP)分别为0.244mmol L-1、0.979(TC)和0.143mmol L-1、0.993(TG);光谱预测的灵敏度、特异性和总判别率分别为94.8%、92.1%和93.8%;系统地建立了人血清的高脂血症指标(TC、TG)的连续、准连续和离散型近红外光谱分析模型。结果表明,光谱预测值与临床实测值的相关性、吻合性良好,分析精度优于既往的研究结果。光谱预测对于高脂血症诊断具有高的灵敏度、特异性和总判别率。本方法无需化学试剂、准确、快速,为大人群日常血脂检测提供了一种有潜力的分析手段。并为专用光谱仪器的连续、准连续和离散型分光系统设计提供有价值的参考。
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