一种基于近红外光谱分析技术的糖尿病病程表征系统及表征方法

技术领域

本发明属于糖尿病病程表征技术领域，具体涉及一种基于近红外光谱分析技术的糖尿病病程表征系统及表征方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

糖尿病(diabetes mellitus)是一组因胰岛素绝对或相对分泌不足以及靶组织细胞对胰岛素敏感性降低引起的代谢紊乱综合征。糖尿病可诱发多种急慢性并发症，包括低血糖症、酮症酸中毒、非酮高渗性昏迷等急性并发症以及心血管疾病、慢性肾衰竭、视网膜病变、神经病变、微血管病变等长期并发症，从而对人体造成极大的伤害。近年来，糖尿病在成年人群中的患病率逐渐上升。

糖尿病以2型糖尿病为主，当空腹血糖值大于等于7mmol/L，或糖化血红蛋白HbAlc为＞6.4％时，则考虑为糖尿病病症。而糖尿病前期是诊断糖尿病的先兆阶段，糖尿病前期的患者往往不会有糖尿病的迹象，但血糖水平会高于正常水平，一般空腹血糖水平升高至5.6～6.9mmol/L，或糖化血红蛋白HbAlc为5.7％～6.4％。糖尿病前期是介于正常血糖和糖尿病之间的一种代谢状态，包括空腹血糖受损(impaired fasting glucose,IFG)、糖耐量受损(impaired glucose tolerance,IGT)以及IFG合并IGT，但是这些达不到诊断糖尿病所需的标准，所以大多数人不会意识到自己处于糖尿病前期阶段。糖尿病前期已经发生代谢的改变，是2型糖尿病、心血管疾病和脑卒中等疾病发展的重要危险因素。

早期筛查是糖尿病防治过程中的重要环节，对于糖尿病的有效控制具有重要意义，世界多国的糖尿病防治指南都提出建议，凡具有危险因素的人群均应进行糖尿病的早期筛查。大规模的研究显示，通过生活方式或药物干预可以明显延缓“糖尿病受损”向“糖尿病”转变。对无症状人群进行筛查，早期发现糖耐量减低，及时干预和治疗，可以阻止或延缓2型糖尿病的发生和发展。糖尿病的早期筛查指标与方法主要包括：1.口服葡萄糖耐量(OGTT)检测，是由WHO、ADA、IDF认定的诊断糖调节受损和糖尿病的标准方法；2.空腹血糖和餐后2小时血糖的检测，二者同时检测可以提高早期糖尿病的检出率；3.糖化血红蛋白(HbA1c)的检测，糖化血红蛋白用于筛查与诊断糖尿病具有一定的优越性。此检测无须空腹，短期生活方式改变、短期血糖波动等不会影响HbA1c的检测结果，能准确地反映相对较长一段时期内(2～3个月)的平均血糖水平。然而，这几种测定方法均存在操作复杂、费时、费力的不足，探寻一种快速、有效的糖尿病程判别手段对于糖尿病的有效控制具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于近红外光谱分析技术的糖尿病病程表征系统及表征方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种基于近红外光谱分析技术的糖尿病病程表征系统，所述系统包括：

样品采集模块，用于收集待测血清样品；

空腹血糖数据采集模块，用于采集血清样品的空腹血糖数据，并根据空腹血糖值判定糖尿病病程；

光谱采集模块，用于采集血清样品的近红外光谱，采集过程中设置温度变化梯度；

近红外光谱预处理模块，用于消除仪器噪声和环境变化对光谱带来的影响，提高光谱质量；

数据分析模块，用于对近红外光谱中的O-H键的倍频和组合频区域进行分析，结合水光谱组学雷达图，绘制移动窗口二维相关光谱图，分析糖尿病不同病程水的变化规律，对糖尿病的不同病程进行表征。

第二方面，本发明提供一种基于近红外光谱分析技术的糖尿病病程表征方法，包括如下步骤：

利用样品采集模块收集待测血清样品；

利用空腹血糖数据采集模块采集血清样品的空腹血糖数据，并根据空腹血糖值判定糖尿病病程；

利用光谱采集模块采集血清样品的近红外光谱；

利用近红外光谱预处理模块对采集的近红外光谱进行预处理，消除仪器噪声和环境变化对光谱带来的影响；

利用数据分析模块对近红外光谱中的O-H键的倍频和组合频区域进行分析，结合水光谱组学雷达图，绘制移动窗口二维相关光谱图，分析糖尿病不同病程水的变化规律，对糖尿病的不同病程进行表征。

在一些实施例中，采用傅里叶变换近红外光谱分析仪采集血清样品的近红外光谱。

优选的，采集方法为：透射光谱采样模式，1mm光程比色皿，以空气为背景，每小时采集一次背景光谱，扫描范围为12000cm

在一些实施例中，所述温度变化梯度为30-50℃，间隔5℃进行采集，也即采集温度分别为30℃、35℃、40℃、45℃、50℃。

在一些实施例中，所述近红外光谱预处理模块的光谱预处理方法为小波变换(wavelet transform,WT)。

在一些实施例中，数据分析模块的分析波段为8000cm

在一些实施例中，所述糖尿病病程分为三阶段，分别为正常、糖尿病前期和糖尿病。

检测方法为己糖激酶法。空腹血糖正常范围值为3.9～6.1mmol/L，空腹血糖水平升高至6.2～6.9mmol/L判定为糖尿病前期，当空腹血糖值大于等于7mmol/L，则判定为糖尿病，为保障检验结果的准确性，需进行三次检验。

优选的，对糖尿病病程的三个阶段进行分析，绘制雷达图时采用的波长为7440cm

进一步优选的，还包括对糖尿病病程的三个阶段进行二维相关光谱分析。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，以实现所述基于近红外光谱分析技术的糖尿病病程表征方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行，以实现所述基于近红外光谱分析技术的糖尿病病程表征方法。

上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

近红外(Near Infrared，NIR)光谱(780～2526nm)是介于可见光与中红外光之间的电磁波，主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生，反映了含氢基团C-H、O-H、N-H等振动的倍频和合频吸收。但由于糖尿病患者的血清与健康人血清的光谱差异较小，传统方法所建立模型的准确率有待进一步提高，本发明的方法中根据不同病程情况下血清的近红外光谱存在差异，并结合温度梯度变化将差异放大，通过水光谱组学更深层次地解释了不同病理状态下水分子的变化状态，从而反映出病程进程的变化规律，为该技术的进一步推广和应用提供参考。

本发明首次利用近红外光谱结合水光谱组学表征糖尿病病程，对于糖尿病的早期筛查提供新的参考，也为近红外光谱技术开发无创糖尿病检测仪用以大面积人群检测提供理论依据，具有重要的应用价值。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1中，(a)为30℃温度下所有样品原始光谱；(b)为所有温度(30℃、35℃、40℃、45℃、50℃)下样品的原始光谱；

图2为30℃温度下所有样品主成分得分图；

图3为所有温度(30℃、35℃、40℃、45℃、50℃)下代表性样品光谱经过小波变换后的光谱；

图4中，(a)为温度扰动下健康人血清样品雷达图；(b)为温度扰动下糖尿病前期血清样品雷达图；(c)为温度扰动下糖尿病血清样品雷达图；

图5中，(a1)为健康人血清样品的同步光谱；(a2)为健康人血清样品的异步光谱；(b1)为糖尿病前期血清样品的同步光谱；(b2)为糖尿病前期血清样品的异步光谱；(c1)为糖尿病血清样品的同步光谱；(c2)为糖尿病血清样品的异步光谱。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

实施例1

将本发明的方法应用于糖尿病病程的表征。为了使本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

首先，收集一定数量的血清样品，样品收集后进行生化检验，获取样品前，叮嘱志愿者禁水、禁食时间，在其保持空腹状态下抽取样本，部位为肘静脉，样本量为2mL，血清来源志愿者年龄在20-60岁之间，志愿者性别可同时涵盖男性与女性，血清样品由全血样品不加抗凝剂自然凝固后分离而得，共获得108个样品。

使用生化分析仪(日立ITACHI，008AS))检验，检测方法为己糖激酶法。空腹血糖正常范围值为3.9～6.1mmol/L，空腹血糖水平升高至6.2～6.9mmol/L判定为糖尿病前期，当空腹血糖值大于等于7mmol/L，则判定为糖尿病，为保障检验结果的准确性，需进行三次检验。根据血糖检测结果判定患者属于正常、糖尿病前期、糖尿病的对应进程，最终获得正常样品数量为35，糖尿病前期样品数量为30，糖尿病样品数量43。

然后，采用傅里叶变换近红外光谱分析仪(MPA，Bruker)，透射光谱采样模式，1mm光程比色皿，以空气为背景，每小时采集一次背景光谱，扫描范围为12000cm

图1(a)为30℃温度下所有样品原始光谱，从光谱中可以看出，在相同温度下，各病程的样品光谱之间没有较大区别，由于血清体系中的主要成分是水，因此在7042cm

图2为30℃温度下所有样品主成分得分图，恒温测量的近红外光谱能有效减少仪器与环境温度变化带来的光谱波动，将所有样品在30℃温度下的光谱进行主成分分析，得到第一主成分与第二主成分的相关图，从图中可以看出，由于血清体系中的水的含量高，水的信息覆盖了其他变化信息，各病程样品之间没有形成明显的分类。

图3为所有温度下代表性样品光谱经过小波变换后的光谱，该方法能有效消除基线漂移与光谱噪声，并放大光谱之间的差异，便于后续分析。

为了进一步探究糖尿病病程发展过程中水的细微变化，在小波变换处理后的基础上对光谱进行雷达图绘制，从图4中可以看出，通过观察水的变化行为用于糖尿病病程的表征是具有可行性的，健康人血清、糖尿病前期血清以及糖尿病血清样品的水光谱图存在不同。糖尿病组在6954cm

为了进一步探究糖尿病病程中水的细微变化，对温度扰动下的各样品光谱进行移动窗口二维相关光谱(MW2D-COS)分析。图5(a)为健康组的同步光谱和异步谱，6896cm

以上结果表明，利用近红外光谱可以表征糖尿病病程的变化过程，基于水光谱组学的雷达图与MW2D-COS可以通过放大水结构的微小变化，对不同的病程进行表征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。