CN105510271B - 一种基于小波或小波包变换对苯丙氨酸ftir/atr光谱进行去噪的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光谱分析技术领域，具体公开了一种基于小波或小波包变换对苯丙氨酸FTIR/ATR光谱进行去噪的方法。该方法首先对小波或小波包变换的参数进行优化，然后分别对原始光谱(OS)、9点平滑光谱(9S)或一阶微分9点平滑光谱(1D9S)进行去噪处理；所述对小波或小波包变换的参数进行优化，包括小波或小波包母函数的确定、分解层数的确定、阈值选取方法和重调规则的确定。所述方法为滤纸干血片FTIR/ATR光谱提供了一种有效的去噪方法；有利于进一步提高苯丙氨酸校正模型的精度，使得该模型可以对苯丙氨酸实现快速、准确和绿色的检测。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析技术领域，具体涉及一种基于小波或小波包变换对苯丙氨酸FTIR/ATR光谱进行去噪的方法。
背景技术
滤纸干血片中苯丙氨酸的含量，目前采用细菌抑制法(BIA)、荧光法(FA)、高效液相色谱法(HPLC)、串联质谱法(MS/MS)等检测，这些方法普遍具有消耗试剂、费用高、步骤繁琐、耗时长等缺点。
现有技术利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱(FTIR/ATR)，结合化学计量学算法对苯丙氨酸进行检测，取得了很好的效果。FTIR/ATR检测技术具有操作简便、分析速度快、能耗低、无需对样品进行处理、不消耗试剂、不产生污染、可同时测定多种成分等优势，已被广泛应用。但是，在测量过程中，红外光谱受到光源强度微小变化、杂散光、外界震动、干涉仪动镜移动、电子线路等因素干扰，不可避免产生噪声，带来很大影响，因此需对光谱进行去噪处理。
小波变换具有独特的时频分离特性，能够适应不同波形谱图的去噪要求，已被广泛应用于图像处理、电信号分析、能源勘察、语音分析、医药分析等多学科领域。在进行小波变换时，小波的去噪效果跟小波基、阶数、分解尺度、阈值选取和重调方式等参数有关，但是目前还没有一套规范的选取这些参数的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，为了克服现有技术中存在的上述问题，提供一种基于小波或小波包变换对苯丙氨酸FTIR/ATR光谱进行去噪的方法。
本发明所要解决的上述技术问题，通过以下技术方案予以实现：
一种基于小波或小波包变换对苯丙氨酸FTIR/ATR光谱进行去噪的方法，首先对小波或小波包变换的参数进行优化，然后分别对原始光谱(OS)、9点平滑光谱(9S)或一阶微分9点平滑光谱(1D9S)进行去噪处理；所述对小波或小波包变换的参数进行优化，包括小波或小波包母函数的确定、分解层数的确定、阈值选取方法和重调规则的确定。
优选地，所述小波母函数选自小波基sym12、bior2.8或bior6.8。
优选地，所述小波包母函数选自小波基db10、sym1和bior1.5。
优选地，所述分解层数为1层。
优选地，所述的阈值选取方法为rigrsure方法。
优选地，所述的重调规则选用sln方法。
优选地，所述的方法是对滤纸干血片中苯丙氨酸FTIR/ATR光谱进行去噪。
有益效果：本发明在FTIR/ATR光谱预处理阶段引进小波和小波包变换，对原始光谱、9点平滑光谱和一阶导数9点平滑光谱分别进行去噪处理，比较去噪前后光谱模型的各项评价指标，结果发现经小波或小波包处理后的模型精度均有明显提高，说明小波和小波包变换为FTIR/ATR光谱提供了一种有效的去噪方法；该方法有利于进一步提高模型精度，使得FTIR/ATR定量校正模型可以对滤纸干血片中苯丙氨酸实现快速、准确和绿色的检测。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步解释本发明，但实施例对本发明不做任何形式的限定。
实施例1
取69例干血片样本由广州金域医学检验中心提供，采用串联质谱法测定苯丙氨酸(Phe)的浓度，其中35例阴性样本的平均浓度为47.2μmol/L，标准差为9.1μmol/L；34例阳性样本的平均浓度为292.8μmol/L，标准差为258.9μmol/L。以空气作为空白背景，采用FTIR/ATR法对干血片进行光谱采集，对每个血斑各取5个不同位置扫描，取平均值作为该血片的红外原始光谱(OS)数据。用红外光谱仪自带的OPUS7.2软件对所得光谱进行9点平滑光谱(9S)或一阶微分9点平滑光谱(1D9S)预处理。
对FTIR/ATR光谱进行去噪的方法如下：首先对小波或小波包变换的参数进行优化，优化方法如下：以“rigrsure”和“sln”方法，作为阈值选取和重调规则；分解层数为1层；小波母函数选自小波基sym12、bior2.8或bior6.8；小波包母函数选自小波基db10、sym1和bior1.5。然后分别对原始光谱(OS)、9点平滑光谱(9S)和一阶微分9点平滑光谱(1D9S)进行小波和小波包去噪。最后对所建立的模型进行评价，结果见表1和表2。
模型评价指标有相关系数(R)、均方根误差(RMSEP)、平均相对误差(MRE)、准确率(Acc)、灵敏度(Sens)和特异性(Spec)。R越趋近于1，RMSEP和MRE越趋近于0，Acc、Sens和Spec越趋近于100，模型的精度越高。其计算方法如下：
相关系数(Relative Coefficient,R)：
预测均方根误差(Root Mean Square Error of Prediction,RMSEP)：
平均相对误差(Mean Relative Error,MRE)：
准确率(Accuracy,Acc)：
灵敏度(Sensitivity,Sens)：
特异性(Specificity,Spec)：
公式(1)～(6)中，Yp、Yr、Ym和n分别表示模型预测值、实验值、实验值的平均值以及样本个数，TP和TN表示正确预测的阳性和阴性样本的数目。
表1 OS、9S和1D9S光谱经小波变换后模型输出结果
表2 OS、9S和1D9S光谱经小波包变换后模型输出结果
从表1和表2中可见OS、9S、1D9S光谱分别经sym12、bior2.8、bior6.8小波去噪，或db10、sym1、bior1.5小波包去噪后，模型的各项评价指标均有不同程度的改进，说明小波和小波包变换能有效地去除信号噪音，提高模型精度。
其中，表1中最优模型是1D9S+sym12，与小波去噪前相比，R从0.87提高到0.91，RMSEP从114.79降低到89.17，MRE从0.3降低到0.28，Acc、Sens和Spec均提高到100。小波包去噪得到的最优模型为1D9S+sym1，与去噪前的光谱模型相比，R从0.87提高到0.91，RMSEP从114.78降低到94.13，MRE从0.3降低到0.29，Acc、Sens和Spec同样均提高到100，而且结果的标准差均为0。上述结果表明，1D9S光谱经小波或小波包变换去噪后建立的模型更加准确、稳定。
Claims (2)
1.一种基于小波或小波包变换对苯丙氨酸FTIR/ATR光谱进行去噪的方法，其特征在于，首先对小波或小波包变换的参数进行优化，然后分别对原始光谱(OS)、9点平滑光谱(9S)或一阶微分9点平滑光谱(1D9S)进行去噪处理；所述对小波或小波包变换的参数进行优化，包括小波或小波包母函数的确定、分解层数的确定、阈值选取方法和重调规则的确定；
所述小波母函数选自小波基sym12、bior2.8或bior6.8；
所述小波包母函数选自小波基db10、sym1和bior1.5；
所述分解层数为1层；
所述的阈值选取方法为rigrsure方法；
所述的重调规则选用sln方法。
2.根据权利要求1所述的去噪的方法，其特征在于，所述的方法是对滤纸干血片中苯丙氨酸FTIR/ATR光谱进行去噪。
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