尿糖近紅外光譜的測(cè)量和研究

姚武斌

（太原理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程研究所 山西太原 030024 山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院 山西太原 030001）

尿糖近紅外光譜的測(cè)量和研究

姚武斌

（太原理工大學(xué)應(yīng)用力學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程研究所 山西太原 030024 山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院 山西太原 030001）

首次探索了以尿液近紅外光譜為研究對(duì)象，建立尿糖濃度數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行尿糖定量測(cè)量的方法。建立了適合尿液近紅外光譜采集的測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)實(shí)際的尿液樣品進(jìn)行了光譜采集。分析了尿液近紅外光譜。選擇了參加建模的樣品的濃度范圍、最佳的預(yù)處理方法和光譜區(qū)間。

糖尿??；近紅外光譜；數(shù)學(xué)模型

引言

糖尿病的檢查主要有血糖檢查和尿糖的檢查。尿糖的檢查又分為定性檢查和定量檢查，尿糖的定性檢查目前臨床上應(yīng)用最廣泛的方法仍然是硫酸銅還原法。用以確定尿糖濃度的高低，濃度是在一個(gè)范圍內(nèi)，用“+”號(hào)的多少表示尿糖濃度的高低。尿糖定量檢查主要是測(cè)定24h尿糖定量正常人每天從尿中排出微量葡萄糖，約0.18～0.5mmol（32～93mg）。國(guó)內(nèi)報(bào)道糖尿病病人24h尿糖最高達(dá)636g，國(guó)外有報(bào)道超過(guò)1000g者。多數(shù)病人在100g以下。

精確定量檢查尿糖濃度的方法還沒(méi)有見(jiàn)到報(bào)道。尿液標(biāo)本的收集對(duì)病人來(lái)講沒(méi)有痛苦，是一種容易獲得的檢驗(yàn)標(biāo)本。如果在臨床中用近紅外光譜分析的方法精確定量檢查尿糖的濃度。會(huì)為糖尿病的診斷增加一個(gè)有效的途徑。

1 尿糖近紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)的建立與尿糖近紅外光譜的采集和預(yù)處理

1.1 測(cè)量?jī)x器的選擇

光譜儀仍然用NICOLET的Nexus870傅立葉紅外光譜儀。采集尿液的近紅外光譜應(yīng)當(dāng)采用對(duì)樣品透射的方法，測(cè)量不同濃度尿液吸光度的變化，得到吸光度變化與尿糖濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。樣品架采用和做采集葡萄糖溶液近紅外光譜時(shí)一樣的樣品架，采用1mm光程，K9玻璃的樣品池。

1.2 尿液樣品的準(zhǔn)備

尿液來(lái)自一名9歲男性兒童，在兒童空腹的情況下取得。因尿糖的精確濃度無(wú)法測(cè)得，在不影響一般性的基礎(chǔ)上，設(shè)原尿液的葡萄糖濃度為3mmol/l，然后加入葡萄糖粉末來(lái)改變尿糖的濃度。制備了從3～165mmol/l的56份尿液樣品，濃度間隔為3mmol/l。

1.3 儀器參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)中傅立葉光譜儀Nicolet公司的Nexus-870的參數(shù)設(shè)置為：掃描次數(shù)為32次、分辨率為1cm-1、數(shù)據(jù)間隔為1.928cm-1、光源采用白光、探測(cè)器為TEC In GaAs 2.6μm。

1.4 光譜的采集和預(yù)處理

以水為背景，用光譜儀的專用軟件OMNIC E.S.P 5.2a采集光譜。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)光譜信號(hào)做了兩步預(yù)處理：譜圖的平滑分辨出被噪聲掩蓋的吸收峰；基線校正是為了使原始光譜中不含光譜信息的譜段平整并表現(xiàn)為零吸收，使含有樣品信息的譜段突出。

2 尿液尿糖濃度校正模型的建立

2.1 樣品濃度范圍的選擇

在近紅外光譜分析中，校正集樣品的選擇及校正集樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性直接決定所建立校正模型的適用性和準(zhǔn)確性。所選擇的校正集樣品的光譜特征及性質(zhì)范圍應(yīng)能覆蓋以后未知樣品的光譜特征，以保證校正模型的適用性和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

制備的樣品濃度范圍為3～165mmol/l，共56份。濃度范圍非常大，建立模型時(shí)是否都應(yīng)該加入校正樣品集應(yīng)從校正模型的具體情況來(lái)判斷。下面把光譜數(shù)據(jù)分濃度范圍3～165mmol/l和3～30mmol/l分別建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較。

2.1.1 建立3～165mmol/l濃度范圍的數(shù)學(xué)模型

在計(jì)算機(jī)上，應(yīng)用Nexus-870傅立葉紅外光譜儀的專用光譜處理軟件TQAnalystV6，將尿液中葡萄糖含量與光譜間進(jìn)行偏最小二乘法回歸（PLS），得到校正模型。仍然選擇用偏最小二乘法建立模型。建立模型的光譜區(qū)間為7500～8500cm-1。校正模型的計(jì)算結(jié)果和實(shí)際值相關(guān)的準(zhǔn)確度并不是很高，相關(guān)系數(shù)雖然達(dá)到了0.979，但偏差卻在-23～22mmol/l之間，顯然不能滿足尿糖定量檢測(cè)的要求。我們認(rèn)為產(chǎn)生這么大誤差的原因可能有兩方面的原因：①尿液樣品濃度間隔太大；②尿液樣品濃度范圍太大。

2.1.2 建立3～30mmol/l濃度范圍的數(shù)學(xué)模型

人的血糖濃度在0.3～30mmol/l之間，尿糖濃度也會(huì)在這個(gè)范圍附近，而165mmol/l這個(gè)濃度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常范圍。葡萄糖濃度過(guò)大在尿液中會(huì)有析出的現(xiàn)象。顯然3～165mmol/l這個(gè)范圍的樣品集選擇的不好。

以人的血糖濃度為參考，僅采用3～30mmol/l的光譜數(shù)據(jù)來(lái)建立濃度模型。這個(gè)時(shí)候模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到1.000，偏差范圍在-0.03～0.04mmol/l之間。這個(gè)校正模型所選的校正樣品集的性質(zhì)范圍覆蓋了以后未知的光譜特征。用這個(gè)校正模型可以預(yù)測(cè)未知樣品的尿糖濃度，實(shí)現(xiàn)了尿糖的定量檢測(cè)。

2.2 光譜區(qū)間的選擇

本文在4250～4850cm-1、5500～6500cm-1、7500～8500cm-1、8500～10000cm-1、4000～10000cm-1、及各光譜區(qū)間的組合分別進(jìn)行了建模分析，在不同波長(zhǎng)范圍下PLS回歸得到的最佳主因子數(shù)、均方差（RMSEC）、相關(guān)系數(shù)R和誤差范圍。

在7500～8500cm-1這個(gè)光譜區(qū)間進(jìn)行建模相關(guān)系數(shù)最大，均方根差最小。在這個(gè)區(qū)域重復(fù)性比較高，因此應(yīng)該選用這一光譜區(qū)間來(lái)對(duì)尿糖濃度進(jìn)行回歸建模。

2.3 預(yù)測(cè)結(jié)果比較

將參加建模的10個(gè)樣品都分別做為未知濃度的樣品進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)際值進(jìn)行比較，用教正模型對(duì)每一個(gè)尿液樣品的濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，偏差最小達(dá)到0.00，偏差最大為0.04mmol/l。

3 小結(jié)

本文通過(guò)用偏最小二乘法建立了尿糖濃度和近紅外光譜的數(shù)學(xué)模型。模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到1.00，均方差為0.017，偏差在-0.03～0.04mmol/l之間。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中存在著一些問(wèn)題：①準(zhǔn)備的尿液樣品濃度的間隔太大；②沒(méi)有確定原尿液的尿糖濃度。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和初步分析，可以得出，用近紅外光譜的方法可以實(shí)現(xiàn)尿糖的定量檢測(cè)。突破了用傳統(tǒng)方法不能進(jìn)行尿糖定量測(cè)量的限制，實(shí)現(xiàn)了尿糖快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，為糖尿病的診斷和檢驗(yàn)提供了一條新的途徑。

[1]陸婉珍.現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2000.

[2]常建華，董綺功.波譜原理及分析[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

O657.33

A

1004-7344（2016）26-0335-01

2016-9-4

姚武斌（1976-），男，山西臨猗人，山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院精神科心理治療師，2010年7月畢業(yè)于山西職工醫(yī)學(xué)院，臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)，主要從事心理治療工作。