用于伤口感染细菌检测的医用电子鼻研究

摘要

电子鼻用于伤口感染检测具有快速、无创、高效、对环境要求度不高等特点，具有广阔的应用前景。通过设计用于检测伤口细菌感染的医用电子鼻系统，针对常见伤口感染细菌生长过程中的代谢产物的气味，实现对伤口感染病原菌的检测。具有非常重要的临床实用价值。
　　本文旨在构建一种电子鼻气味采集平台，能够实现对细菌代谢产物的信息采集、数据处理和分析，达到快速筛查病人伤口感染病原菌种类的目的。同时，根据采集到的数据设计合适的算法，利用智能算法构建模式识别模型，可有效提高识别率和训练速度。论文的主要研宄成果包括：
　　①完成气味采集平台的构建，主要包括传感器选型、传感器阵列构建、进样系统以及数据采集模块的构建。在该平台上完成了基于肉汤培养基的金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌以及细菌的两两混合样本的气味采集。为了提高样本之间的差异程度，部分样本使用蒸馏水对原始培养液进行稀释，以保证气味特征提取的准确度。
　　②针对采集到的数据的特点，选取合理的预处理方法和特征提取方法，以构建适合训练分类器的样本矩阵。同时，文章介绍了常见的电子鼻的算法，包括使用PCA/KPCA对特征进行选择，LDA/KDA对特征进行降维，以及支持向量机和随机森林方法对样本进行分类，并使用QPSO算法对需要进行寻优的分类器进行寻优。
　　③采用多种方法组合验证的手段，验证分类器对样本集的分类效果，包括针对感染和未感染的二分类模型以及细菌感染类型的多分类模型。实验显示，不依赖于参数选择的随机森林方法，在分类性能上优于依赖于参数选择的智能算法。利用优化算法可以一定程度上弥补依赖于参数选择的智能算法的不足，但是受限于验证集样本和测试集样本之间的差异，优化算法结合多种需要参数选择的算法始终无法在性能上超过随机森林。作为一种新兴的分类算法，随机森林在针对伤口感染细菌检测的电子鼻上具有广阔的应用前景和实用价值。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1. 1电子鼻技术概述

1.2医用电子鼻的研究意义和国内外研究现状

1.3论文的结构和安排

2 医用电子鼻系统原理介绍

2 .1电子鼻系统原理

2 .2医用电子鼻气路系统

2 .3传感器阵列设计

2 .4实验设计

2 .5本章小结

3 电子鼻信号常用处理方法及算法

3 .1电子鼻信号的预处理

3 .2传感器信号的特征提取

3 .3电子鼻信号特征选择

3 .4基于有监督方法的数据降维算法

3.5 模式识别与参数优化算法

3 .4本章小结

4 面向伤口感染电子鼻的算法模型构建

4 .1结合验证集与优化算法的模型构建

4 .2随机森林算法模型构建

4 .3本章小结

5 实验结果与算法性能分析

5 .1数据集构成

5.2 二分类问题性能分析

5 .3细菌感染类型的多分类模型构建

5 .4本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献