基于主成分分析與Fish判別法快速鑒別臨床致病菌的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種涉及臨床常見(jiàn)三種致病菌的分類方法，結(jié)合主成分分析與Fisher 判別法構(gòu)建快速鑒別臨床常見(jiàn)的三種致病菌的方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 金黃色葡萄球菌（Staphylococcusaureus)是人類的一種重要病原菌，隸屬于葡 萄球菌屬（Staphylococcus這個(gè)英文也可不加），有"嗜肉菌〃的別稱，是革蘭氏陽(yáng)性菌的 代表，可引起許多嚴(yán)重感染。沙門氏菌屬有的專對(duì)人類致病，有的只對(duì)動(dòng)物致病，也有對(duì)人 和動(dòng)物都致病。沙門氏菌病是指由各種類型沙門氏菌所引起的對(duì)人類、家畜以及野生禽獸 不同形式的總稱。感染沙門氏菌的人或帶菌者的糞便污染食品，可使人發(fā)生食物中毒。大 腸埃希氏菌（E.coli要全稱）通常被稱為大腸桿菌，對(duì)人和動(dòng)物有病原性，尤其對(duì)嬰兒和幼 畜（禽），常引起嚴(yán)重腹瀉和敗血癥，它是一種普通的原核生物。
[0003]近紅外光譜儀（NearInfraredSpectrumInstrument，NIRS)是介于可見(jiàn)光（Vis) 和中紅外（MIR)之間的電磁輻射波，近紅外光譜區(qū)定義為780-2526nm的區(qū)域，是人們?cè)谖?收光譜中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)非可見(jiàn)光區(qū)。近紅外光譜區(qū)與有機(jī)分子中含氫基團(tuán)（〇-H、N-H、C-H) 振動(dòng)的合頻和各級(jí)倍頻的吸收區(qū)一致，通過(guò)掃描樣品的近紅外光譜，可以得到樣品中有機(jī) 分子含氫基團(tuán)的特征信息，而且利用近紅外光譜技術(shù)分析樣品具有方便、快速、高效、準(zhǔn)確 和成本較低，不破壞樣品，不消耗化學(xué)試劑，不污染環(huán)境，儀器便攜等優(yōu)點(diǎn)，因此該技術(shù)受到 越來(lái)越多人的青睞。
[0004] 在實(shí)際工作中，只需要知道樣品的類別和質(zhì)量等級(jí)，并不需要知道樣品中含有的 組分?jǐn)?shù)和其含量的問(wèn)題，這時(shí)候需要模式識(shí)別法。近紅外光譜的定性依據(jù)主要是光譜本身， 因?yàn)楣庾V反映了真實(shí)樣品的組成和結(jié)構(gòu)信息，相同或者近似的樣品有著相同或相近的光 譜。通過(guò)應(yīng)用含糊的數(shù)學(xué)光譜匹配方式進(jìn)行實(shí)際的定性分析。近紅外光譜常用模式識(shí)別方 法主要有聚類分析、主成分分析結(jié)合馬氏距離的判別、主成分分析結(jié)合最小二乘支持向量 機(jī)的方式等。由于原始光譜維數(shù)多，并且聚類分析法是根據(jù)距離指標(biāo)（如歐氏距離）來(lái)進(jìn) 行，所以處理起來(lái)較為復(fù)雜，而且樣本量較大時(shí)，要獲得聚類結(jié)論有一定困難。所以很多研 究都是在原始光譜上通過(guò)主成分分析后再進(jìn)行聚類，而主成分分析結(jié)合馬氏距離的方法會(huì) 夸大了微小的變量作用，受協(xié)方差矩陣不穩(wěn)定的影響，而主成分分析結(jié)合最小二乘支持向 量機(jī)的方法由于參數(shù)的選取具有一定的"盲目性"，采用參數(shù)空間窮盡搜索法優(yōu)化，費(fèi)時(shí)而 且精度不高。
[0005] 臨床上對(duì)于病原菌的鑒別是通過(guò)在培養(yǎng)基進(jìn)行增菌培養(yǎng)，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間觀察培 養(yǎng)基上的形狀特征，進(jìn)行染色、鏡檢。根據(jù)菌體的形狀及染色特征初步判定細(xì)菌的種屬。將 得到的菌株進(jìn)一步進(jìn)行生化鑒定，由于不同的菌株生化反應(yīng)出來(lái)信息不一樣，最終得到致 病菌的所屬種類。整個(gè)過(guò)程鑒定冗長(zhǎng)耗時(shí)，檢測(cè)成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明提出了一種基于主成分分析與Fish判別方法快速、準(zhǔn)確地鑒別 臨床常見(jiàn)致病菌的方法。
[0007] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于主成分分析與Fish判別法快速鑒別臨 床致病菌的方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟S1 :培養(yǎng)致病菌樣本；步驟S2 :把樣本 進(jìn)行近紅外光譜掃描，采集這三種細(xì)菌的近紅外光譜，并剔除異常的樣本數(shù)據(jù)；步驟S3:選 取4003. 497~12396. 18cm1特征波段下的光譜信息，運(yùn)用多元散射校正MSC進(jìn)行對(duì)光譜信 息進(jìn)行處理；步驟S4:將處理后的光譜數(shù)據(jù)利用主成分分析法（PCA法）進(jìn)行數(shù)據(jù)的降維處 理，在滿足累計(jì)可信度為>98%條件下選取主成分個(gè)數(shù)；步驟S5:經(jīng)過(guò)主成分分析方法后選 取相應(yīng)的主成分后，建立起Fisher判別函數(shù)，建立對(duì)應(yīng)的三種細(xì)菌的鑒別模型，得到判別 函數(shù)；步驟S6:經(jīng)過(guò)Fisher判別分析后，通過(guò)特征值和其方差的貢獻(xiàn)率來(lái)選取出需要的判 別函數(shù)的個(gè)數(shù)；步驟S7:各個(gè)種類的細(xì)菌在經(jīng)過(guò)主成分分析后的數(shù)據(jù)，在選取出來(lái)的判別 函數(shù)中，得到在各個(gè)判別函數(shù)降維后的每種種類的中心值；步驟S8:通過(guò)判別未知的菌類 距離每種菌類的中心值來(lái)鑒別其類別。
[0008] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，步驟S5建立Fisher判別函數(shù)包括以下具體步驟： 步驟S51 :求解Fisher判別分析：總體有C類y=WTx，類內(nèi)樣本點(diǎn)協(xié)方差矩陣：
*每類距離總體中心協(xié)方差矩陣：
其中是各類的中心，μ是總體中心，Ni是各類的樣本數(shù)，Ν=ΣΝ1;步驟S52:根據(jù)度量
辱到投影的W取決于,?1?求解的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量。
[0009] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述臨床致病菌為金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、大腸埃希氏 菌。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明所采取的主成分分析法結(jié)合Fisher判別引入到鑒別常見(jiàn)的致病菌，不僅能夠快速鑒別出致病菌的種類，并且具有高精 度、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在后續(xù)的臨床菌種鑒別工作中有重大貢獻(xiàn)，具有良好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的流程示意圖。
[0012] 圖2實(shí)施所述金黃色葡萄球菌的近紅外原始吸收光譜圖。
[0013] 圖3實(shí)施所述沙門氏菌的近紅外原始吸收光譜圖。
[0014] 圖4實(shí)施所述大腸埃希氏菌的近紅外原始吸收光譜圖。
[0015] 圖5經(jīng)過(guò)MSC預(yù)處理后的金黃色葡萄球菌的近紅外吸收光譜圖。
[0016] 圖6經(jīng)過(guò)MSC預(yù)處理后的沙門氏菌的近紅外吸收光譜圖。
[0017] 圖7經(jīng)過(guò)MSC預(yù)處理后的大腸埃希氏菌的近紅外吸收光譜圖。
[0018] 圖8經(jīng)過(guò)Fisher判別后的聚類效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0020] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于主成分分析與Fish判別法快速鑒別臨 床致病菌的方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟S1 :培養(yǎng)致病菌樣本；步驟S2 :把樣本 進(jìn)行近紅外光譜掃描，采集這三種細(xì)菌的近紅外光譜，并剔除異常的樣本數(shù)據(jù)；步驟S3:選 取4003. 497~12396. 18cm1特征波段下的光譜信息，運(yùn)用多元散射校