基于顯微高光譜成像技術(shù)的尿沉渣結(jié)晶樣本分析

更新時間：2025-07-07 點(diǎn)擊次數(shù)：383

基于顯微高光譜成像技術(shù)的尿沉渣結(jié)晶樣本分析

摘要：本文利用顯微高光譜成像技術(shù)，對尿沉渣中的草酸鈣、胱氨酸、磷酸鈣、尿酸、三聯(lián)磷酸鹽等結(jié)晶樣本展開研究。通過搭建顯微高光譜成像系統(tǒng)獲取樣本高光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合支持向量機(jī)（SVM）、K 近鄰（KNN）、決策樹（DT）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）等算法進(jìn)行分析，實現(xiàn)對不同尿沉渣結(jié)晶的精準(zhǔn)識別與分類，為尿沉渣檢測提供了新的技術(shù)手段。

一、引言

尿沉渣成分分析在泌尿系統(tǒng)疾病診斷中具有關(guān)鍵價值，結(jié)晶成分作為尿沉渣重要組成，其準(zhǔn)確識別對疾病研判意義重大。傳統(tǒng)檢測手段依賴人工鏡檢，存在效率低、主觀性強(qiáng)等局限。顯微高光譜成像技術(shù)融合光學(xué)顯微成像與高光譜分光探測，可同時獲取樣本空間結(jié)構(gòu)與光譜特征，為尿沉渣結(jié)晶精準(zhǔn)分析提供新路徑。本文構(gòu)建系統(tǒng)，采集多種尿沉渣結(jié)晶高光譜數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)分類識別，探索該技術(shù)在尿沉渣檢測中的應(yīng)用潛力。

二、顯微高光譜成像系統(tǒng)搭建

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（一）系統(tǒng)組成

如圖 1（a）所示，顯微高光譜成像系統(tǒng)由透射光源、光學(xué)顯微鏡、分光器、聲光可調(diào)濾波器（AOTF）、灰度相機(jī)、彩色相機(jī)、驅(qū)動器、載物臺及控制器、控制計算機(jī)組成。透射光源為樣本提供穩(wěn)定照明；光學(xué)顯微鏡實現(xiàn)樣本微觀放大；分光器將光信號分配至不同探測器；AOTF 在驅(qū)動器控制下實現(xiàn)光譜調(diào)諧，配合灰度相機(jī)采集高光譜數(shù)據(jù)；彩色相機(jī)用于樣本初步觀測；載物臺控制器精準(zhǔn)控制樣本位置；控制計算機(jī)統(tǒng)籌系統(tǒng)運(yùn)行與數(shù)據(jù)處理。圖 1（b）為系統(tǒng)實物圖。

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（二）工作原理

光源發(fā)出的光經(jīng)透射照明樣本，攜帶樣本信息的光經(jīng)顯微鏡放大后，由分光器分配。一路光進(jìn)入彩色相機(jī)，快速獲取樣本彩色圖像，輔助初步定位；另一路光入射至 AOTF，驅(qū)動器根據(jù)控制計算機(jī)指令調(diào)節(jié) AOTF，篩選特定波段光，經(jīng)灰度相機(jī)采集，依次更換波段，得到樣本在不同波長下的灰度圖像序列，即高光譜數(shù)據(jù)立方體，涵蓋空間與光譜維度信息（如圖 2 所示），空間維度反映樣本形態(tài)，光譜維度蘊(yùn)含物質(zhì)成分特征。

三、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

（一）樣本制備

收集臨床尿沉渣樣本，分離出草酸鈣、胱氨酸、磷酸鈣、尿酸、三聯(lián)磷酸鹽結(jié)晶，制成標(biāo)準(zhǔn)樣本，放置于載物臺，確保樣本均勻、無明顯雜質(zhì)干擾，為高光譜數(shù)據(jù)采集奠定基礎(chǔ)。

（二）高光譜數(shù)據(jù)采集

通過控制計算機(jī)設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，包括 AOTF 波段范圍（400 - 800nm ）、采樣間隔等，驅(qū)動載物臺移動，使樣本處于視場中心，啟動數(shù)據(jù)采集程序，獲取各結(jié)晶樣本的高光譜數(shù)據(jù)立方體，如圖 3 所示，包含空間（x,y）與光譜（λ）三維信息，記為微信截圖_20250707160424.png

（三）數(shù)據(jù)預(yù)處理

為降低噪聲與無關(guān)信息影響，對高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。采用 Savitzky - Golay 濾波去除隨機(jī)噪聲，公式為：

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四、光譜特征分析

不同尿沉渣結(jié)晶因化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)差異，光譜特征存在顯著區(qū)別。提取各結(jié)晶樣本在 400 - 800nm 波段的透射光譜（如圖 4 所示），草酸鈣（Calcium oxalate）、胱氨酸（Cystine）、磷酸鈣（Calcium phosphate tribasic）、尿酸（Uric acid）、三聯(lián)磷酸鹽（Triple phosphate）的透射率隨波長變化呈現(xiàn)規(guī)律。以尿酸為例，在特定波長（如 600nm 附近）透射率急劇下降，反映其對該波段光的強(qiáng)吸收特性，這由尿酸分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)與電子躍遷特性決定，可作為識別尿酸結(jié)晶的光譜標(biāo)識。通過對比各結(jié)晶光譜曲線的峰值、谷值、斜率等特征參數(shù)，構(gòu)建光譜特征庫，為分類識別提供依據(jù)。

五、機(jī)器學(xué)習(xí)算法分類識別

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（一）算法選擇與模型構(gòu)建

選取支持向量機(jī)（SVM）、K 近鄰（KNN）、決策樹（DT）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）四種經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)算法。將預(yù)處理后高光譜數(shù)據(jù)按一定比例（如 7:3 ）劃分為訓(xùn)練集與測試集，訓(xùn)練集用于模型訓(xùn)練，測試集驗證模型性能。

（二）分類結(jié)果與分析

通過混淆矩陣（如圖 5 所示）與受試者工作特征曲線（ROC，如圖 6 所示）評估模型性能。SVM、KNN、DT、NN 對五種尿沉渣結(jié)晶均展現(xiàn)出良好分類能力，NN 在部分類別（如尿酸、胱氨酸）識別中，真陽性率（TPR）接近 1，體現(xiàn)其強(qiáng)大特征學(xué)習(xí)能力；KNN 對磷酸鈣等類別分類準(zhǔn)確率高，得益于其對局部特征的有效利用；SVM 憑借分類面，在類別邊界樣本識別中表現(xiàn)穩(wěn)定；DT 模型簡單，分類過程可解釋性強(qiáng)。從準(zhǔn)確率看，各模型對尿沉渣結(jié)晶分類準(zhǔn)確率均在 90% 以上，驗證了顯微高光譜成像結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法在尿沉渣結(jié)晶識別中的可行性與有效性。

六、結(jié)論

本文搭建顯微高光譜成像系統(tǒng)，采集尿沉渣結(jié)晶樣本高光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)預(yù)處理、光譜分析與機(jī)器學(xué)習(xí)分類，實現(xiàn)對草酸鈣、胱氨酸等多種結(jié)晶的精準(zhǔn)識別。該技術(shù)融合空間與光譜信息，突破傳統(tǒng)檢測局限，為尿沉渣分析提供量化、智能新方法。后續(xù)可拓展樣本庫，優(yōu)化算法，探索與臨床診斷深度融合，推動泌尿系統(tǒng)疾病精準(zhǔn)診斷技術(shù)發(fā)展，彰顯高光譜測試與軟件分析結(jié)合在醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用價值，為相關(guān)研究與臨床實踐提供技術(shù)支撐與思路借鑒。

以象科技作為一家由西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊、行業(yè)資深專家、光譜軟件算法團(tuán)隊以及光學(xué)應(yīng)用博士等多元專業(yè)力量共同發(fā)起創(chuàng)立的科技型企業(yè)，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強(qiáng)勁的實力，正逐步成為行業(yè)內(nèi)的一顆璀璨新星。

其團(tuán)隊成員憑借深厚的學(xué)術(shù)造詣與豐富的實踐經(jīng)驗，構(gòu)建起了一座堅實的技術(shù)堡壘。西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊深入鉆研光學(xué)核心原理，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化以及創(chuàng)新方面持續(xù)發(fā)力，致力于打造出具有性能與高精度的光學(xué)基礎(chǔ)架構(gòu)。行業(yè)資深專家則猶如敏銳的市場領(lǐng)航員，他們憑借對行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)的精準(zhǔn)把握以及對市場需求變化的前瞻性洞察，為公司的產(chǎn)品戰(zhàn)略布局指明方向，確保每一款產(chǎn)品都能精準(zhǔn)對接市場痛點(diǎn)，在激烈的市場競爭中脫穎而出。光學(xué)應(yīng)用博士則專注于探索光學(xué)技術(shù)在各個實際領(lǐng)域的落地應(yīng)用，他們深入挖掘產(chǎn)品在不同場景下的潛在用途，從生物醫(yī)學(xué)到工業(yè)制造，從環(huán)境監(jiān)測到農(nóng)業(yè)科技，不斷拓展產(chǎn)品的應(yīng)用邊界，讓光學(xué)技術(shù)真正造福于人類社會的各個角落。

在產(chǎn)品層面，以象科技目前已成功投產(chǎn)并推向市場的可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機(jī)，無疑是其技術(shù)實力的集中體現(xiàn)。這不僅為國內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供了更為可靠、性價比更高的光學(xué)設(shè)備選擇，還在一定程度上推動了我國光學(xué)技術(shù)自主創(chuàng)新的進(jìn)程，提升了我國在全球光學(xué)產(chǎn)業(yè)價值鏈中的地位。

此外，公司經(jīng)營的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學(xué)產(chǎn)品，也均在各自的領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了的優(yōu)勢與性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果，在生物醫(yī)學(xué)微觀成像領(lǐng)域成為科研人員探索生命奧秘的得力助手；激光散斑血流成像儀能夠精準(zhǔn)地監(jiān)測微循環(huán)血流變化，為醫(yī)學(xué)臨床診斷和疾病研究提供了重要的參考依據(jù)；光譜儀則憑借其對物質(zhì)光譜特性的精確分析能力，在材料成分分析、環(huán)境污染物監(jiān)測以及食品安全檢測等領(lǐng)域發(fā)揮著作用。

以象科技秉持著集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)營模式，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的綜合實力與協(xié)同效應(yīng)。其研發(fā)中心坐落于西安這充滿科技活力與創(chuàng)新氛圍的城市，依托當(dāng)?shù)刎S富的科研資源與人才優(yōu)勢，持續(xù)不斷地投入大量資源進(jìn)行技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，為公司的產(chǎn)品迭代升級和技術(shù)突破提供了源源不斷的動力源泉。

與此同時，公司精心構(gòu)建的銷售網(wǎng)絡(luò)如同一張緊密交織的大網(wǎng)，全面覆蓋全國各個地區(qū)，確保了產(chǎn)品能夠快速、高效地觸達(dá)每一位客戶手中。而完善的售后服務(wù)機(jī)構(gòu)則像是一位貼心的守護(hù)者，隨時為客戶提供多層次的技術(shù)支持與售后服務(wù)保障，讓客戶在使用產(chǎn)品的過程中無后顧之憂，進(jìn)一步增強(qiáng)了客戶對公司品牌的信任度與忠誠度。

以象科技憑借其團(tuán)隊、創(chuàng)新的產(chǎn)品以及完善的運(yùn)營模式，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域正穩(wěn)步前行，未來有望在國內(nèi)乃至全球市場上取得更為輝煌的成就，為推動光學(xué)科技的進(jìn)步與應(yīng)用普及做出更多的貢獻(xiàn)。

以象科技由西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊，行業(yè)資深專家，光譜軟件算法團(tuán)隊，光學(xué)應(yīng)用博士等相關(guān)人員共同發(fā)起成立的科技型公司，目前投產(chǎn)市場可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機(jī)，實現(xiàn)國產(chǎn)化，突破進(jìn)口技術(shù)壁壘，打破進(jìn)口短波紅外高光譜相機(jī)的技術(shù)限制。

以象科技是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的科技型公司。目前經(jīng)營產(chǎn)品有激光共聚焦，激光散斑血流成像儀，光譜儀，高光譜相機(jī)等光學(xué)產(chǎn)品。研發(fā)中心設(shè)立于西安，銷售網(wǎng)絡(luò)、完善售后服務(wù)機(jī)構(gòu)設(shè)立覆蓋全國。