多波長紅外尿糖檢測技術(shù)研究

梅竹松，嚴(yán)榮國，徐 濤，魏夢林

(1.上海理工大學(xué) 健康科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093；2.上海長征醫(yī)院 神經(jīng)外科，上海 200003)

0 引言

尿液檢查[1-2]是臨床三大常規(guī)檢查之一，可以反映人體泌尿生殖系統(tǒng)、肝臟的健康情況，對代謝性疾病的診斷、治療和監(jiān)測等工作有重要意義，其中糖尿病一直以來也是人們關(guān)注的重點(diǎn)。糖尿病檢測[3]主要指葡萄糖尿的檢查，檢測方法一般有兩種方式：第一種為硫酸銅還原法，也是應(yīng)用最廣泛的方法，硫酸銅與尿液中含有醛基的葡萄糖發(fā)生還原反應(yīng)生成氧化亞銅，其含量越多說明尿液中的葡萄糖越多。第二種為葡萄糖氧化酶法，葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化反應(yīng)釋放過氧化氫，過氧化氫含量與葡萄糖量成正比。以上兩種檢測手法都屬于半定量檢測，且化學(xué)實(shí)驗(yàn)繁多，準(zhǔn)確性和特異性存在諸多問題，同時(shí)也會(huì)消耗大量的試劑和試紙，易造成浪費(fèi)和環(huán)境污染。并且隨著人們對醫(yī)療健康要求的逐漸提高，快速準(zhǔn)確的尿糖檢測技術(shù)研究顯得尤為迫切。

近年來，近紅外光譜法分析尿液得到了許多科學(xué)家的重視。目前，國內(nèi)外有關(guān)近紅外光譜檢測尿液系統(tǒng)仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，近紅外光譜法在測量尿液中葡萄糖、白蛋白、肌酐、丙酮等代謝物有著非常重要的臨床醫(yī)學(xué)價(jià)值。在國外的研究中，已有諸多團(tuán)隊(duì)運(yùn)用近紅外光譜法對尿液中成分濃度信息進(jìn)行了系統(tǒng)測量，如R.Anthony Shaw團(tuán)隊(duì)對尿液中的白蛋白、尿素以及肌酐進(jìn)行檢測，并且對濃度進(jìn)行建模計(jì)算相關(guān)系數(shù)，J.Larry團(tuán)隊(duì)不僅對上述3種成分進(jìn)行了檢測，還對葡萄糖以及酮體進(jìn)行了測量，H.M.Heise團(tuán)隊(duì)對葡萄糖、白蛋白、肌酐以及尿酸進(jìn)行了檢測，并且發(fā)現(xiàn)含有的白蛋白會(huì)影響其他成分的測量，這些團(tuán)隊(duì)都在一定程度上驗(yàn)證了近紅外光譜應(yīng)用于尿液檢測的可行性，但在濃度模型建立、整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面都存在一定的問題。

國內(nèi)研究近紅外光譜法在尿液檢測中的應(yīng)用也有諸多研究組和團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。2004 年，丁東團(tuán)隊(duì)使用近紅外光譜儀，選用 1 176～1 334 nm 近紅外光譜區(qū)，對尿液成分進(jìn)行測量以及建模研究。蔡永軍團(tuán)隊(duì)運(yùn)用近紅外光譜儀選用1 667～1 724 nm 作為近紅外光譜區(qū)測量了尿糖以及尿蛋白的濃度信息。2006 年，劉偉玲等人采用光譜儀，結(jié)合偏最小二乘法建模，進(jìn)行了尿液相關(guān)成分測量。2011年，國內(nèi)李剛團(tuán)隊(duì)運(yùn)用近紅外光譜法進(jìn)行尿液檢測，驗(yàn)證了尿微量白蛋白檢測的可行性。2017年中，天津大學(xué)的劉瑾團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了有4個(gè)波段可以用來檢測葡萄糖成分，分別是：1000～1160 nm，1375～1 420nm，1 590～1 640 nm 和1 870～1 910 nm。2020年中，北京工業(yè)大學(xué)的馮繼宏團(tuán)隊(duì)更是驗(yàn)證了在600～1300 nm中的葡萄糖吸收光譜具有單調(diào)性、較好的線性度、優(yōu)良的靈敏度等特點(diǎn)。國內(nèi)團(tuán)隊(duì)研究同樣也在一定程度上證實(shí)了近紅外光譜應(yīng)用于尿液檢測的可行性。

針對以上問題，本文進(jìn)行了多波長紅外尿糖檢測技術(shù)研究[4-5]，通過紅外光源、光電傳感器、放大濾波電路、MCU和上位機(jī)，以及相關(guān)性研究，對葡萄糖濃度進(jìn)行快速準(zhǔn)確檢測，確定可用于尿糖檢測的近紅外光源，對尿糖濃度進(jìn)行檢測和數(shù)學(xué)模型建立，最終完成尿糖的快速、準(zhǔn)確檢測，推動(dòng)近紅外光譜技術(shù)在尿糖檢測中的應(yīng)用，同時(shí)也保障了人們的健康安全，其方法符合新時(shí)代臨床檢測的需要。

1 光學(xué)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由LED恒流源、菲涅爾透鏡、比色皿、光電探測器、光電電路、MCU以及上位機(jī)組成，如下圖1所示，其中近紅外光源經(jīng)透射樣品后被光電探測器感應(yīng)，將信號送至信號調(diào)理電路經(jīng)運(yùn)算放大、濾波以及跟隨之后并傳輸給MCU，MCU會(huì)對信號調(diào)理電路的電信號進(jìn)行處理，并且配合上位機(jī)進(jìn)行算法處理得到尿糖濃度值。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 光源及探測器

在近紅外區(qū)域中，葡萄糖分子中含有的C-H基團(tuán)和O-H基團(tuán)具有良好的紅外吸收特性，并且擁有多個(gè)理想建模波段，同時(shí)因?yàn)槟蛞褐?5%～97%含量為水，則需要考慮水在近紅外區(qū)域中的強(qiáng)吸收影響，在光程為10 mm，波數(shù)[6]為4 500～6 500 cm-1和7 300～9 000 cm-1范圍內(nèi)對水都具有較好的透過率，同時(shí)考慮市場因素，最終選用吸收特性較強(qiáng)的3個(gè)不同波長光源[7]，分別為1 150 nm(8 695 cm-1)、1 310 nm(7 692 cm-1)和1 550 nm(6 452 cm-1)以及吸收特性較弱的940 nm(10 638 cm-1)的近紅外光源進(jìn)行檢測尿液中的葡萄糖成分。本設(shè)計(jì)選用六朋電子公司生產(chǎn)的SMD2935貼片光源和華尚光電生產(chǎn)的HSE1310-M513、HSE1550-L504，都具有較高的發(fā)光效率，發(fā)光強(qiáng)度在額定電流分別為55 mA～65 mA、17.5～22.5 mA范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，可減少對檢測結(jié)果的影響。

光信號到電信號的轉(zhuǎn)變需要光電二極管[8]來完成，其在反向電壓作用下工作，沒有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。本設(shè)計(jì)選用北京敏光科技有限公司的InGaAs(銦鎵砷)LSIPID-L1光電二極管，低暗電流，高響應(yīng)度，光敏面為1 mm*1 mm，響應(yīng)波長范圍為800～1 700 nm，與本設(shè)計(jì)選用的4個(gè)不同波長的近紅外光源相匹配，并且可以屏蔽環(huán)境光和雜散光的影響。光源及探測器如圖2所示。

圖2 光源及探測器(左邊為光源、右邊為探測器)

1.2 菲涅爾透鏡

近紅外LED的光存在一定程度的散射，為了使其能夠聚焦到同一點(diǎn)，采用菲涅爾透鏡。是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，一面為光面，另一面由直徑不同的同心圓刻錄形成，其核心技術(shù)體現(xiàn)在其紋理上，紋理主要根據(jù)光的衍射原理、相對靈敏度以及接受角度的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。與普通的凸透鏡相比，菲涅爾透鏡可以在節(jié)省制作材料的同時(shí)達(dá)到較好的匯聚光線效果，所以其低成本、高性能的特點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于紅外探測器中。

本系統(tǒng)采用的菲涅爾透鏡焦距為20 mm，厚度1.5 mm，環(huán)距為0.5 mm，直徑為35 mm，符合本系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

1.3 近紅外樣品比色皿

比色皿通常作為近紅外光譜生化分析儀的配套設(shè)備來使用，主要用于對試樣溶液的檢測、定量及定性分析等。根據(jù)應(yīng)用途經(jīng)可以分成三大類：玻璃比色皿，石英比色皿和紅外比色皿。玻璃比色皿多用于紫外或可見光系列應(yīng)用，石英比色皿多用于紫外系列應(yīng)用，而紅外比色皿則多用于紅外光系列應(yīng)用。

本系統(tǒng)采用譜析光學(xué)公司的紅外石英比色皿，光程為10 mm，可以最大程度上減少水的吸收影響，同時(shí)確保能較好地反映樣品濃度信息，其通過精密的光學(xué)加工工藝，透光面的光學(xué)性能誤差≤0.3%，采用日本進(jìn)口的JGS-1光學(xué)石英玻璃制作而成，無氣泡，無條紋，使用熔融一體工藝。不脫落，耐高溫，耐酸堿，耐有機(jī)溶劑，以上特性，符合本系統(tǒng)對近紅外樣品比色皿的要求。

1.4 恒流源電路

近紅外LED的波長與電流有著密切關(guān)系，電流的大小波動(dòng)會(huì)使波長產(chǎn)生一定的波動(dòng)，對測量精度也會(huì)產(chǎn)生影響，需要使用恒流源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其輸出穩(wěn)定波長的光信號。恒流源[9]采用QX7136芯片，QX7136是一款電流可調(diào)、低壓差的恒流驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部進(jìn)行了過熱保護(hù)設(shè)計(jì)，防止在芯片溫度超過120 ℃時(shí)對芯片造成損壞。同時(shí)，為了防止在上電瞬間LED發(fā)生閃爍，延長LED的工作壽命，設(shè)置了軟啟動(dòng)功能。最終可穩(wěn)定輸出10 mA～3 A的電流。

如圖3所示，在CS引腳連接高精度電阻則可以進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，也很好地解決了不同LED對電流要求不同的問題，其電流計(jì)算公式如下所示。

圖3 恒流源電路原理圖

(1)

式中，50 mV為CS內(nèi)部設(shè)定基準(zhǔn)電壓，Rcs為外接電阻阻值(R1有效值)，Iout為輸出電流。

1.5 信號調(diào)理電路

光電探測器產(chǎn)生的電流信號因太小，一般在nA和uA級別，無法進(jìn)行下一步處理，為了最大程度保留原始信號，對其進(jìn)行初步放大[10]，并將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。本設(shè)計(jì)選用OP07CP精密運(yùn)放，通過低噪聲，無斬波，雙極輸入晶體管放大器電路提供低失調(diào)與長期穩(wěn)定性。對于大多數(shù)應(yīng)用來說，偏置歸零與頻率補(bǔ)償不需要外部元件，其差分輸入具有寬輸入電壓范圍與卓越的共模抑制能力，可在高噪聲環(huán)境內(nèi)和非反相應(yīng)用中提供最好的靈活性與性能，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持低偏置電流與極高的輸入阻抗，非常適用于低噪聲高精準(zhǔn)度放大超低信號。

如圖4電路所示，采用OP07CP搭建了一個(gè)I/V轉(zhuǎn)換電路，輸出電壓大小主要由R2和R3的阻值決定，C1為負(fù)反饋電容，一般在高阻信號轉(zhuǎn)換的時(shí)候使得輸出信號噪聲降低，但是電容不可過大，會(huì)影響頻率響應(yīng)。其中C2、C3和C4用于電源濾波，輸出電壓計(jì)算公式如下：

圖4 I/V轉(zhuǎn)換電路

Vo=I(R2+R3)

(2)

式中，R2為470 kΩ，R3為10 kΩ，I為光電探測器信號電流輸入，Vo為輸出電壓。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中第二級選用TLC27M2AI芯片，此芯片為雙運(yùn)算放大器，具有高輸入阻抗、低噪聲、低功率、低偏置電流、高回轉(zhuǎn)率等優(yōu)點(diǎn)，適用于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求[11]。在下圖所示的電路中，圖5左邊虛線框?yàn)橥嗫烧{(diào)式放大電路，由可調(diào)電位器R6控制其放大倍數(shù)，根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)需求選定放大倍數(shù)，圖5右邊虛線框?yàn)槎A有源低通濾波。

圖5 放大濾波電路

放大倍數(shù)與低通濾波截止頻率計(jì)算公式如下：

(3)

式中，VO為一級輸出電壓信號，VOP為同向放大之后電壓，R6為0～500 kΩ可調(diào)電阻，R5為1 kΩ。π為圓周率，R為10 kΩ，C為1 μF。為了最大程度保留尿糖濃度相關(guān)信息，但又能濾除高頻雜波和工頻干擾，本系統(tǒng)將低通濾波器的截止頻率f設(shè)計(jì)為16 Hz。

2 軟件設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)軟件部分分為ATmega16單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和QT GUI程序設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)接受到由檢測電路傳輸至單片機(jī)的電壓信號，對其進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并將其傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)算法處理，將其以數(shù)值和實(shí)時(shí)變化趨勢的方式顯示在電腦上，同時(shí)并將其數(shù)值存入數(shù)據(jù)庫中。圖6為軟件設(shè)計(jì)流程圖。

圖6 軟件流程圖

2.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ATmega16微處理器，是由Atmel公司開發(fā)的高性能微控制器，內(nèi)核中擁有多樣化的指令集和三十二個(gè)通用工作寄存器，而且這些寄存器均與運(yùn)算邏輯單元相連，這也就使得在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，一個(gè)指令能夠同時(shí)存取兩個(gè)獨(dú)立的工作寄存器，程序質(zhì)量也因而獲得了很大的提升，同時(shí)其信息吞吐量也較一般CISC微控制器高達(dá)十倍以上，擁有8路ADC通道，最大工作電壓范圍為2.7～5.5 V，可以滿足工作要求。

在程序設(shè)計(jì)中，通過對各個(gè)I/O口、選擇寄存器(ADMUX)、狀態(tài)寄存器(ADCSRA)、數(shù)據(jù)寄存器(ADCL、ADCH)的配置，完成AD轉(zhuǎn)換，以及數(shù)據(jù)傳輸工作，最終數(shù)據(jù)具有連續(xù)性、準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性特點(diǎn)。

2.2 串口通信

在Qt中使用了QSerialPort模塊提供的兩個(gè)類：QSerialPort類和QSerialPortInfo類，QSerialPort類提供了對串口的操作，QSerialPortInfo類提供了對串口信息的獲取。Qt采用信號槽的方式，以及定時(shí)器的運(yùn)用，使得此系統(tǒng)軟件更加具有可靠性。

為方便光譜有效信息的讀取，在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中，將數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制的形式寫入串口，采用USB轉(zhuǎn)TTL數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信，其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性適用于尿糖檢測。

2.3 數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化主要由QPainter類對象的paintEvent()函數(shù)進(jìn)行繪制。paintEvent(QPaintEvent*)函數(shù)是虛函數(shù)，用于ui的繪制，會(huì)在多種情況下被其他函數(shù)自動(dòng)調(diào)用，程序中也會(huì)使用update()時(shí)將其調(diào)用，以達(dá)到刷新界面的作用。

此函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)的是將讀入數(shù)據(jù)以折線圖的方式顯示，并進(jìn)行主界面的繪制和調(diào)整。尿糖數(shù)值并不是直接獲取，需要通過數(shù)學(xué)建模，最終還需將實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的數(shù)學(xué)模型移植到QT程序中，以此達(dá)到尿糖數(shù)值的實(shí)時(shí)顯示和檢測。

2.4 數(shù)據(jù)庫

為了更方便的收集和調(diào)取數(shù)據(jù)，采用SQL Server作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，SQL允許用戶訪問關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，允許用戶創(chuàng)建和刪除數(shù)據(jù)庫、表、數(shù)據(jù)項(xiàng)(記錄)，允許用戶定義數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并處理該數(shù)據(jù)，允許將SQL模塊、庫或者預(yù)處理器嵌入到其它編程語言中，整個(gè)執(zhí)行過程包含了多種組件，查詢調(diào)度程序、優(yōu)化引擎、傳統(tǒng)的查詢引擎、SQL查詢引擎。其具體操作可分為三步：訪問，讀取和寫入三大功能。

選用SQL Sever作為數(shù)據(jù)庫主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：唯一性索引的建立可以確保數(shù)據(jù)庫中每一行數(shù)據(jù)的唯一性；索引的建立可以很大程度上提高數(shù)據(jù)的檢索速度以及系統(tǒng)的性能；同樣可以通過減少查詢中分組以及排序的時(shí)間提高檢索效率。

綜上所述，SQL Sever的綜合性能適用于作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。

2.5 QT界面設(shè)計(jì)

尿糖檢測主界面程序，功能相對比較完善，通過串口通信接收數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)可視化，通過數(shù)學(xué)模型處理數(shù)據(jù)得到有效濃度值，最終將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，主要實(shí)現(xiàn)功能介紹如下：

1)程序啟動(dòng)則需填入病人姓名、年齡、性別，否則無法進(jìn)行檢測；點(diǎn)擊測量按鈕后，則對樣品進(jìn)行檢測，精度為每1 s檢測1次，檢測時(shí)間為1分鐘。

2)電壓數(shù)字值、吸光度值以及尿糖濃度值等會(huì)根據(jù)底層算法隨著檢測時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

3)實(shí)時(shí)觀察吸光度以及電壓數(shù)字值變化曲線。

4)“存入”按鈕點(diǎn)擊之后，會(huì)將已經(jīng)檢測到的病人數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并停止檢測。

5)“！”按鈕點(diǎn)擊之后，會(huì)彈出使用此檢測程序的注意事項(xiàng)，方便使用。

最終人機(jī)交互界面如圖7所示。

圖7 人機(jī)交互界面

3 設(shè)計(jì)原理

3.1 近紅外光譜分析的物理化學(xué)基礎(chǔ)

近紅外光譜分析技術(shù)基于各種物質(zhì)分子在近紅外光源照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生能級躍遷，吸收部分光能，從而得到被照射物質(zhì)的特征信息。其中，在近紅外區(qū)域中含氫基團(tuán)吸收強(qiáng)度較高，如蛋白質(zhì)、葡萄糖、淀粉等。本設(shè)計(jì)中光源水平透射過裝有葡萄糖溶液的比色皿，經(jīng)吸收之后，被光電探測器檢測到，根據(jù)朗伯-比爾定律(Lambert-Beer’s Law)推導(dǎo)[12]，則可以得到葡萄糖的變化情況。

朗伯-比爾定律描述為：物質(zhì)對光的吸收強(qiáng)度與物質(zhì)的濃度和吸光厚度呈線性關(guān)系：其表達(dá)式為：

(4)

式中，A為吸光度，I0為入射光強(qiáng)度，It為透射光強(qiáng)度，其中測量過程中受反射光Ir可減小到極小值，則I0=It+Ia，其中Ia為吸收光強(qiáng)度，L為光程，α(λ)為波長為λ的吸光系數(shù)，Cn為成分n濃度。

對于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路，輸出電壓與檢測到的光強(qiáng)之間存在以下關(guān)系：

(5)

在上式中Iλ為波長λ時(shí)的吸光度，V為輸出電壓，α(λ)則為吸光系數(shù)，結(jié)合公式(4)和公式(5)可得[13]：

(6)

3.2 光譜信息預(yù)處理

為了排除非目標(biāo)信息以及噪聲等因素的影響，本設(shè)計(jì)對經(jīng)過信號調(diào)理電路以及AD轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行算法預(yù)處理，以此來提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

遺傳算法(GA，genetic algorithm)是進(jìn)化計(jì)算的一部分[14]，是模擬達(dá)爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型，是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法。該算法簡單、通用，可較快地獲得較好的優(yōu)解，適合用于信號處理。

通過隨機(jī)方式[15]產(chǎn)生若干由確定長度(長度與光譜信息的精度有關(guān))編碼的初始群體，設(shè)置相對應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)，并運(yùn)用函數(shù)對每個(gè)個(gè)體進(jìn)行計(jì)算評價(jià)，通過計(jì)算將適應(yīng)度值高的個(gè)體進(jìn)行下一步操作，適應(yīng)度低的個(gè)體則被淘汰，經(jīng)選擇、交叉、變異的個(gè)體進(jìn)行合并形成新一代種群，直到滿足停止準(zhǔn)則(進(jìn)化代數(shù)G>GEN)，將后代中表現(xiàn)最好的個(gè)體作為遺傳算法的最優(yōu)解。

運(yùn)用Matlab軟件對遺傳算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，將式(6)吸光度作為目標(biāo)函數(shù)，即找出在測量一組樣品時(shí)其近紅外光吸光度的最優(yōu)值，然后將原始吸光度數(shù)據(jù)與遺傳算法處理之后吸光度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，進(jìn)行對比，如圖8所示，其橫坐標(biāo)為樣本大小對應(yīng)于梯度遞增的葡萄糖濃度值，縱坐標(biāo)為吸光度歸一化之后的數(shù)值，可以看出遺傳算法處理之后的數(shù)據(jù)變化趨勢更為平滑，符合光譜信息預(yù)處理需求效果。

圖8 遺傳算法對比圖

3.3 葡萄糖濃度相關(guān)性實(shí)驗(yàn)

光電探測器在接收到經(jīng)過樣品溶液的信息后，可以表現(xiàn)為經(jīng)過信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換以及遺傳算法處理最終得到的吸光度信息。因葡萄糖在近紅外區(qū)域中吸收強(qiáng)度符合朗伯-比爾定律，則用4個(gè)不同波長下光源的吸光度值在一定的算法條件下可以準(zhǔn)確計(jì)算出葡萄糖濃度值。

通過天平、量筒、光源、探測器、信號調(diào)理電路以及上位機(jī)進(jìn)行定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，將0～60 g/L的葡萄糖溶液梯度分為若干份進(jìn)行相關(guān)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中為了減少外界因素的影響，3D打印了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停蓪⒐庠础⑻綔y器、比色皿、菲涅爾透鏡放置其中，并確保空白光路下的吸光度為0，以此提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，圖9則是光程為實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

圖9 吸光度差與葡萄糖濃度關(guān)系圖

圖9中橫坐標(biāo)為葡萄糖溶液濃度值，縱坐標(biāo)為溶液吸光度與純水吸光度的差值，將擬合方程[16]設(shè)為以下公式：

Cλ=p1*Aλ+p2

(7)

式中，Cλ為波長為λnm時(shí)測量所得的濃度值，Aλ為波長為λnm時(shí)所計(jì)算的吸光度，p1為回歸系數(shù)，p2為常數(shù)項(xiàng)，將p1，p2作為遺傳算法中的初始種群，上式為目標(biāo)函數(shù)，將點(diǎn)到擬合函數(shù)的直線距離作為適應(yīng)度函數(shù)，距離記為Dλ，即求出Dλ的最小值，則可得到p1，p2最優(yōu)解如表1所示。

表1 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果

由表1可知決定系數(shù)R2分別為0.49、0.91、0.88、0.90，則代表除940 nm光源之外其它光源擬合性能良好，具有較好的線性關(guān)系，由圖8中可以看出吸光度與濃度值存在一定的線性關(guān)系，因此選用1 150 nm、1 310 nm、1 550 nm的光源對尿糖進(jìn)行定量分析。

3.4 數(shù)學(xué)模型的建立

目前多元線性回歸(MLR，multiple linear regression)模型[17]多用于近紅外光譜定量分析問題中，由多個(gè)自變量的最優(yōu)組合共同來預(yù)測或估計(jì)因變量，適用于線性關(guān)系優(yōu)良的體系，但此模型中自變量難免有復(fù)雜的相關(guān)性，其多元線性回歸不能處理多個(gè)自變量之間的“糅合”性，增加了模型的誤差，不利于建立穩(wěn)健的模型，因此我們在尿糖濃度檢測數(shù)學(xué)模型上選用偏最小二乘回歸(PLSR，partial least squares regression)模型[18]，通過最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。相比于MLR，PLSR能夠在自變量存在復(fù)雜相關(guān)性的條件下進(jìn)行回歸建模，且更易于辨識系統(tǒng)信息與噪聲，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對光譜矩陣和濃度矩陣中有效信息的提取，并保證了光譜信息和濃度信息的最大相關(guān)，提高了模型的穩(wěn)定性[19]。

Cov(t1，u1)->max

max

(8)

建立E0，F(xiàn)0，對t1、u1的3個(gè)回歸方程如下：

(9)

其中回歸系數(shù)向量是：

(10)

(11)

用上述同樣的方法可以得到更多的主成分，記得E0的秩為Λ，則回歸模型為：

(12)

由于tA均為E0的線性組合，則可以還原成以下形式：

(13)

(14)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)采用由飛凈生物科技有限公司提供的人工尿液，其人工尿液嚴(yán)格依據(jù)人體真尿液組成成分進(jìn)行研發(fā)，成分為：水、氯化鈣，氯化鎂，氯化鈉，硫酸鈉，檸檬酸鈉，磷酸二氫鈉，氯化鉀，氯化銨，尿素，成分與人體真尿液相似率可達(dá)99.9%，可用于尿液檢測實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也解決了人體液短缺以及成分差異的問題。

實(shí)驗(yàn)通過在人工尿液中加入葡萄糖粉末來改變尿糖的濃度，制備了0～60 g/L的16份樣品，濃度間隔為4 g/L。分別用1 150 nm、1 310 nm、1 550 nm的光源對尿糖進(jìn)行檢測，圖10為實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

y1=-3.62-606.04x1-280.8x2-531.4x3

(15)

式中，其中x1、x2、x3分別代表1 150 nm、1 310 nm、1 550 nm、940 nm光源的吸光度值，y1為最終尿糖濃度擬合值。

由回歸系數(shù)矩陣可知，1 150 nm、1 310 nm和1 550 nm光源的吸光度值在回歸方程中起到了重要的作用，其中1 150 nm光源對尿糖的吸收強(qiáng)度最大，1 310 nm光源對尿糖的吸收強(qiáng)度相比其他光源較弱，可以將3個(gè)光源同時(shí)檢測葡萄糖濃度，以此來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

最后我們引入決定系數(shù)R2來評定模型的擬合優(yōu)度，計(jì)算公式如下：

(16)

表2 誤差結(jié)果 g/L

5 結(jié)束語

尿糖檢測對糖尿病的預(yù)防和診斷尤為重要，精確、在線、大批量、低成本、快速檢測符合臨床檢測的未來發(fā)展趨勢，同時(shí)人們對醫(yī)療健康水平的要求也越來越高。針對以上需求本文進(jìn)行了多波長紅外尿糖檢測技術(shù)研究。進(jìn)行了恒流源的電路設(shè)計(jì)，以此來提高光源的穩(wěn)定性，對光電探測器的接受信號部分進(jìn)行了信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，對光電信號進(jìn)行了放大、濾波和跟隨，使其特征信號更能被單片機(jī)識別，并且基于朗伯比爾定律對吸光度進(jìn)行了計(jì)算，運(yùn)用遺傳算法對光譜信息進(jìn)行了預(yù)處理，以此來減小光譜信息的誤差，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了葡萄糖濃度變化與近紅外光譜的線性或者非線性關(guān)系，選取線性相關(guān)度較好的波長進(jìn)行尿糖檢測，運(yùn)用偏最小二乘法完成了濃度模型的建立，最終通過人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)了對尿糖的快速、準(zhǔn)確檢測。很大程度上方便了醫(yī)護(hù)工作人員以及有檢測需求的人員，此技術(shù)研究具有一定的實(shí)現(xiàn)性和創(chuàng)新性。

最終通過實(shí)驗(yàn)測試環(huán)節(jié)，其決定系數(shù)R2=0.992 8，誤差不大于4.2%，驗(yàn)證了此檢測技術(shù)的可靠性以及準(zhǔn)確性。此技術(shù)研究對近紅外光譜技術(shù)檢測尿糖以及其他臨床檢測方面的完善和廣泛應(yīng)用有較好的指導(dǎo)和參考意義。