血清光谱诊断仪的设计及算法研究

论文摘要

根据激光诱导荧光-拉曼光谱能反映出荧光物质成分、结构及其微小环境变化的信息这一特征,本论文应用荧光-拉曼光谱技术,设计了针对血清诊断的癌症诊断仪。本论文综述了荧光光谱技术及拉曼光谱技术在医学上的应用及发展现状,查阅了大量国内外光谱诊断癌症的方法对荧光光谱及拉曼光谱的基本原理进行了阐述。在本诊断系统初步实现功能指标要求的基础上,对诊断系统的整体方案进行了设计,通过对所设计的系统进行反复测试和调试,对其中一些关键部件的参数进行了合理的选择,使整个系统能够在最佳状态下工作。癌症诊断仪大致分为三个子系统:控制系统、光源系统和检测系统。对每个子系统进行单独设计,主要从核心器件选型,到功能电路的设计,最后形成整个癌症诊断系统。整个系统的核心是控制系统,采用PLC作为核心部分,其一方面实现对扫描电机和波长选择电机的控制,另一方面实现和上位机间的通信及人机交互功能。另外对计算机与其他子系统的接口连接进行了详细设计。主要从对光源的选择、光电放大电路的设计方面对激光光源系统和检测系统进行了初步设计。采用了累加平均与最小二乘移动平滑联合使用的方法对采集数据进行平滑处理,消除了图谱的中毛刺的影响因素;并且使用最小二乘函数求导法对数据进行微分,在软件上优化了诊断系统使其更加适合进行数据采集;最后采用多因素判别法中的主成分分析法来进行最后的数据处理,使诊断结果满足现实的诊断要求。通过实验对癌症诊断仪的硬件进行了检验,并且按照从数据采集到最后数据综合处理的顺序对诊断仪的算法进行了综合比较,进一步证明主成分分析法的有效性和准确性,从而可以得出该诊断仪的可实现性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 荧光光谱在医学诊断中的应用
• 1.2 拉曼光谱在医学诊断中的应用
• 1.3 血清光谱诊断的研究现状
• 1.4 荧光及拉曼光谱仪器的研制状况
• 1.5 本论文的主要工作
• 第2章 分子荧光光谱及拉曼光谱原理
• 2.1 分子荧光的产生过程
• 2.2 荧光的激发光谱和发射光谱
• 2.2.1 荧光激发光谱
• 2.2.2 荧光发射光谱
• 2.2.3 有机分子的荧光光谱
• 2.3 拉曼光谱基本原理及特点
• 2.4 本章小结
• 第3章 血清光谱癌症诊断仪的硬件设计及调试
• 3.1 诊断仪的硬件总体设计
• 3.1.1 控制系统
• 3.1.2 激光光源系统
• 3.1.3 检测系统
• 3.2 仪器的相关参数设定
• 3.2.1 激光功率选择
• 3.2.2 激光波长选择
• 3.2.3 单色仪狭缝的选择
• 3.2.4 锁相放大器时间常数选择
• 3.2.5 采集相关参数的选择及调试
• 3.3 本章小结
• 第4章 谱图数据处理算法的设计
• 4.1 数据预处理的主要算法
• 4.1.1 光谱曲线的平滑算法
• 4.1.2 光谱曲线的微分算法
• 4.2 数据分析的主要算法
• 4.2.1 单因素判别法
• 4.2.2 多因素判别法
• 4.3 主成分分析法
• 4.3.1 主成分分析的基本思想
• 4.3.2 主成分的计算方法
• 4.3.3 主成分分析的主要步骤
• 4.3.4 诊断的评价
• 4.4 本章小结
• 第5章 癌症诊断仪的实验研究
• 5.1 实验的准备工作
• 5.1.1 样品制备
• 5.1.2 数据采集过程
• 5.2 光谱图的平滑处理
• 5.3 光谱图的微分处理
• 5.4 诊断仪数据处理方法的实验对比
• 5.4.1 单因素判别法实验数据分析
• 5.4.2 主成分分析法实验数据分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果
• 致谢
• 详细摘要