[發(fā)明專利]基于優(yōu)化反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的包蟲病血清拉曼光譜診斷儀

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710822280.8
• 申請(qǐng)日: 2017-09-13
• 公開（公告）號(hào): CN108088834B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳晨;呂小毅;程金盈;呂國(guó)棟;莫家慶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 新疆大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/65
• 分類號(hào): G01N21/65;G06N3/08;G06K9/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 李林娟

本發(fā)明公開了一種基于優(yōu)化反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的包蟲病血清拉曼光譜診斷儀，激光拉曼光譜儀對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行兩次掃描，用于獲取健康人和包蟲病患者的血清樣本，分別得到對(duì)應(yīng)樣本的光譜數(shù)據(jù)，并取其平均作為該樣品的拉曼光譜數(shù)據(jù)并傳輸至所述計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)接收拉曼光譜數(shù)據(jù)，采用自適應(yīng)迭代懲罰最小二乘法消除拉曼光譜數(shù)據(jù)中的拉曼熒光背景，并采用自歸一化算法對(duì)去除熒光背景后的拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理；計(jì)算機(jī)將去除熒光背景、以及噪聲處理后的拉曼光譜數(shù)據(jù)采用偏最小二乘法降維后，取前3個(gè)主成分作為新的變量輸入空間構(gòu)造樣本矩陣，使用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類，在123個(gè)樣本中選出74個(gè)用于訓(xùn)練集，49個(gè)用于測(cè)試集。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光譜診斷儀領(lǐng)域，尤其涉及一種基于優(yōu)化反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的包蟲病血清拉曼光譜診斷儀。

背景技術(shù)

包蟲病是一種人畜共患的寄生蟲病，呈全球性分布，新疆是高發(fā)區(qū)之一^[1]。有研究表明，在沒有治療的情況下，大約95％的包蟲病患者會(huì)在十年內(nèi)死亡^[2]。包蟲病的早期診斷和干預(yù)是降低其發(fā)病率和死亡率的有效途徑。常規(guī)的檢查有臨床癥狀診斷法、影像技術(shù)診斷法及免疫診斷法^[3-5]，但需專業(yè)人員操作、儀器昂貴、過程繁瑣^[6]。因此，發(fā)展一種簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確的光譜診斷儀對(duì)未來(lái)的包蟲病患者是非常重要的。

拉曼光譜是一種分子振動(dòng)光譜，信號(hào)尖銳，特異性明顯，能對(duì)樣品提供無(wú)損、快速和靈敏的檢測(cè)，且?guī)缀醪皇芩母蓴_，適合于生物樣品的分析^[7-8]，已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷研究^[9-11]。在早期的研究中，使用拉曼光譜結(jié)合PCA—BPNN(主成分分析—反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))模型對(duì)包蟲病患者進(jìn)行診斷，并取得了良好的結(jié)果^[12]，對(duì)包蟲病患者的確診率為90.9091％(10/11)，對(duì)健康人的確診率為93.3333％(14/15)。該方法對(duì)小樣本可以實(shí)現(xiàn)較好的識(shí)別率，而大樣本中包含更多的數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律和噪聲，不適用于大樣本的診斷。

由于激光光源照射在樣品時(shí)，有機(jī)分子易將吸收光子轉(zhuǎn)化為熒光分子從而產(chǎn)生熒光背景，使拉曼光譜信號(hào)僅僅為原始激發(fā)光信號(hào)強(qiáng)度的10^-8左右^[13]，可能導(dǎo)致原始光譜難以反映出細(xì)胞的本質(zhì)信息。因此減小和扣除熒光背景是順利進(jìn)行拉曼光譜分析研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。拉曼光譜增強(qiáng)方法主要包括表面增強(qiáng)散射(SERS)^[14-16]和拉曼光譜數(shù)據(jù)的后期處理^[17-18]。SERS需要尋找表面粗糙化的活性基底材料或者合適粒徑的納米顆粒來(lái)增強(qiáng)拉曼信號(hào)，然而這些材料僅限一些過渡金屬，且很多材料不適用于生物體，依賴于具體的樣本而不通用，并且實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本不菲^[19]。因此拉曼光譜數(shù)據(jù)的后期數(shù)據(jù)處理就顯得特別重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于優(yōu)化反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的包蟲病血清拉曼光譜診斷儀，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)包蟲病進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的診斷，提高了診斷精度和效率，詳見下文描述：

一種基于優(yōu)化反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的包蟲病血清拉曼光譜診斷儀，所述拉曼光譜診斷儀包括：氬離子激光器、激光拉曼光譜儀、以及計(jì)算機(jī)，

所述激光拉曼光譜儀通過自帶的10倍物鏡找到放置在載玻片上的樣品所在位置，對(duì)該位置使用所述氬離子激光器進(jìn)行激光照射；

所述激光拉曼光譜儀對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行兩次掃描，用于獲取健康人和包蟲病患者的血清樣本，分別得到對(duì)應(yīng)樣本的光譜數(shù)據(jù)，并取其平均作為該樣品的拉曼光譜數(shù)據(jù)并傳輸至所述計(jì)算機(jī)；

所述計(jì)算機(jī)接收拉曼光譜數(shù)據(jù)，采用自適應(yīng)迭代懲罰最小二乘法消除拉曼光譜數(shù)據(jù)中的拉曼熒光背景，并采用自歸一化算法對(duì)去除熒光背景后的拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理；