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研究生: 吳學秋
WU,XUE-QIU
論文名稱: 基於尿液試紙之特徵波長演算法應用於微型光譜儀之尿液成分之濃度量測
Application of concentration measurement of urine components with micro spectrometer based on critical wavelength algorithm of urine test strip
指導教授: 柯正浩
Kevin Cheng-Hao Ko
口試委員: 徐勝均
沈志霖
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 自動化及控制研究所
Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年: 2020
畢業學年度: 109
語文別: 中文
論文頁數: 81
中文關鍵詞: 尿液試紙檢測平滑處理特徵波長神經網絡
外文關鍵詞: Urine Test Strip Detection, Smoothing Processing, Critical Wavelength, Neural Networks
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尿液量測是現在健康檢測中一個重要手段,如今在尿液試紙的幫助下能簡單粗略
的比對出尿液中各物質是否超標,但是根據色卡的比對沒有辦法得到準確的濃度數
值,無法進一步達到醫療中判斷的標準。所以本實驗中使用微型光譜儀採集試紙反應
后的反射率,并通過數據分析方法建立一個物質反射率對濃度的數據庫,從而能快速
得出尿液中的各物質具體濃度值。本研究中基於特征波長演算法建立了一個人工智能
分類算法進行尿液濃度的偵測。在光譜預處理方面通過幾種平滑算法的對比,最後選
擇 Savitzky-Golay 濾波器對原始光譜進行平滑處理。而分類算法中,首先通過主成分分
析提取出盡可能多的特征,比起單一特征波長擁有更多有用的信息。對光譜通過對比
樸素貝葉斯、支持向量機、神經網絡的準確率,最後選擇使用神經網絡分類算法對樣
本進行分類。在最終樣本測試中分類準確度達到 95%左右。


Urine measurement is an important means in current health testing. Now, with the help of
urine test paper, it is easy to roughly compare whether the substances in the urine exceed the
standard, but there is no way to get accurate concentration values according to the color card
comparison. It is impossible to further meet the criteria for judgment in medical treatment.
Therefore, in this experiment, the micro-spectrometer is used to collect the reflectance after the
reaction of the test paper, and a data analysis method is used to establish a database of the
reflectance and concentration of the substance, so that the specific concentration value of each
substance in the urine can be quickly obtained. In this study, an artificial intelligence
classification algorithm was established based on the characteristic wavelength algorithm to
detect the urine concentration. In the aspect of spectral preprocessing, through several
comparisons of smoothing algorithms, the Savitzky-Golay filter is finally selected to smooth
the original spectrum. In the classification algorithm, firstly, as many features as possible are
extracted by principal component analysis, which has more useful information than a single
feature wavelength. By comparing the accuracy of naive Bayesian, support vector machine and
neural network, the model finally classifies the samples using neural network classification
algorithm. The classification accuracy reached about 95% in the final sample test.

致謝 i 摘要 ii Abstract iii 目錄 iv 圖目錄 vii 表目錄 x 第一章 序論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機及目的 1 1.3 本文架構 2 第二章 基本理論 3 2.1 基本光譜量測 3 2.2 光譜數據預處理 4 2.2.1 移动平均平滑 4 2.2.2 局部加權回歸散點平滑 5 2.2.3 小波轉換 7 2.2.4 Savitzky-Golay濾波平滑 8 2.3 尿液濃度檢測方法學 12 2.3.1 試紙量測原理 12 2.3.2 質量百分比濃度 12 2.3.3 反射光譜分析法 14 2.3.4 特徵波長 17 2.3.5 比尔-朗伯定律 19 2.3.6 RC表的建立 19 2.3.7 尿液濃度檢測流程 22 2.4 主成分分析 23 2.4.1 光譜的向量表示及降維 24 2.4.2 方差與散度 24 2.4.3 協方差矩陣 25 2.5 分类器基本原理 27 2.5.1 朴素贝叶斯分类器基本原理 27 2.5.2 支持向量機理論 28 2.5.3 神經網絡理論 30 2.6 混淆矩陣 32 第三章 尿液成分濃度偵測流程 34 3.1 流程總攬 34 3.2 光谱预处理與降維 34 3.2.1 光譜預處理算法的選擇 34 3.2.2 數據的降維處理 43 3.3 濃度識別 44 第四章 實驗結果 45 4.1 尿液濃度檢測方法學實驗結果 45 4.1.1 尿液樣本量測 45 4.1.2 建立RC表 49 4.2 人工智能分類算法實驗 54 4.2.1 尿液中蛋白質濃度實驗 54 4.2.2 尿液中葡萄糖濃度實驗 57 4.2.3 尿液中亞硝酸鹽濃度實驗 60 第五章 結論 64 參考文獻 65

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