面向肠道菌液成分检测的免标记多维高光谱检测方法研究
批准号：
62105242
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
赵喆
依托单位：
学科分类：
生物、医学光学与光子学
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
赵喆
项目摘要
结项摘要
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中文摘要
肠道菌液成分检测对肠道微生态和粪菌移植术研究具有重要意义。光谱分析方法作为一种免标记检测方法，可实现菌液成分的快速、无损检测，但纯化后的粪菌悬液是一种具有强散射特性浑浊介质，制约了现有光谱检测方法的检测效果。本项目重点开展以下三方面关键问题研究：首先，建立多波长光子在细菌悬浊液中的传播模型，提出新式楔形样品测量方法，研究菌液光学属性与多维高光谱的内在联系；其次，研究多维高光谱特征提取和信息重构方法，研究肠道菌液对多维高光谱图像的作用机制；第三，研究多维高光谱重构信息与菌液成分之间的定量模型，得到菌液成分有效无损检测方法。本项目提出的梯度方向非对称高光谱测量方法较常规平板式检测模型可有效增加了波长维度、光程维度和检测位置维度等信息量，将有效提高菌液成分分析精度，将为菌液等浑浊介质成分检测提供新方法、新思路，对肠道微生态研究和粪菌移植术等治疗技术的发展具有推动作用。
英文摘要
The detection of intestinal microflora is of great significance for the study of intestinal microecology and fecal bacteria transplantation. As a label free detection method, spectral analysis method can realize rapid and non-destructive detection of bacteria composition, but the purified fecal bacteria suspension is a turbid medium with strong scattering characteristics, which restricts the detection effect of existing spectral detection methods. This project focuses on the following three key issues: firstly, the propagation model of multi wavelength photons in bacterial suspension is established, and a new wedge-shaped sample measurement method is proposed to study the internal relationship between the optical properties of bacterial suspension and multi-dimensional hyperspectral; secondly, the multi-dimensional Hyperspectral Feature Extraction and information reconstruction methods are studied, and the mechanism of intestinal bacterial suspension on multi-dimensional hyperspectral images is studied. Thirdly, the quantitative model between the multi-dimensional hyperspectral reconstruction information and the composition of bacterial liquid is studied, and the effective non-destructive detection method of bacterial liquid composition is obtained. The gradient direction asymmetric hyperspectral measurement method proposed in this project can effectively increase the information content of wavelength dimension, optical path dimension and detection location dimension compared with the conventional plate detection model. It will effectively improve the accuracy of bacterial fluid composition analysis, provide new methods and ideas for the detection of bacterial fluid and other turbid media components, and promote the development of intestinal microecology research and fecal bacteria transplantation treatment technologies.
粪菌移植（FMT）的发展受限于菌液制备和检测技术的不足，菌液成分的质量控制与快速无损检测是肠道微生态领域亟待解决的关键问题。为此，本项目针对肠道菌液的无损快速检测需求，结合多维高光谱图像信息提出了一种新型检测方法，旨在解决现有光谱检测方法的不足。.项目主要研究内容包括：（1）建立多波长光子在细菌悬浊液中的传播模型，提出楔形样品测量方法，研究菌液光学属性与多维高光谱的内在联系；（2）研究多维高光谱特征提取与信息重构方法，优化特征提取与信息整合；（3）建立多维高光谱重构信息与菌液成分之间的定量模型，提高检测精度。.研究取得重要进展：（1）在楔形样品池模型下发现35°入射光角下散射系数和吸收系数的回归结果最优，楔形模型相比平板模型回归系数提高了35.55%，均方根误差降低了97.58%；（2）提出“多波段光谱数据融合”方法，有效减少光谱随机误差，提升光谱数据质量；（3）建立双波段、多光程光子传输模型，多角度多波长特征选取方法对菌液浓度的预测相关系数达到0.9088和0.9323，显著提升了强散射溶液的分析精度。此外，基于小波分解的图像纹理特征提取方法在菌液活性评估中分类准确率达80%，AUC值达88%。实验数据及相关结果表明，本方法在检测精度、灵敏度及适用范围上具有显著优势。这些成果为复杂介质的光谱分析提供了创新性解决方案，具有重要的科学意义和应用前景。.本项目的科学意义在于：（1）揭示了光子在复杂溶液中的传播规律，提出了基于噪声调整的模型校正策略，提高了光学参数的回归精度；（2）开发了多维光谱信息特征提取与重构方法，为浑浊介质的光谱分析提供了新思路；（3）建立了多维特征谱与菌液浓度之间的定量模型，提升了肠道菌液的定量检测能力。此外，相关方法已在血流成像、血糖检测和血液成分检测等领域取得一定成果。本项目不仅推动了FMT技术的标准化和临床应用，还为其他生物医学检测领域提供了理论与技术支持。未来将进一步优化技术并拓展应用范围，以期取得更多突破。
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