Спосіб автоматичної класифікації спектрограм рідини на наявність в її складі окремих хімічних сполук

Спосіб автоматичної класифікації спектрограм рідини при вмісті у її складі окремої хімічної сполуки, що включає вплив на рідину зовнішнього випромінювання з перемінною довжиною хвилі, вимірювання інтенсивності поглинання та/або 3 та спектрограми усіх відомих зразків на основі теорії статистичних рішень методом "близького сусіда " на основі нечітких мір подібності шляхам віднесення невідомого зразка до тієї марки нафтопродуктів, для якої міра подібності має найбільше значення. Відомий спосіб забезпечує необхідну достовірність ідентифікації вмісту і якості вуглеводневих сполук у рідких нафтопродуктах. Можливість проведення автоматизованої ідентифікації забезпечена стандартизованими умовами вимірювань спектрограм, при яких кількість вимірювань, рівень перешкод, масштаб та профіль спектрограм є постійними, як для відомих зразків, так і для невідомих. Недоліком відомого способу є значне обмежування області використання, особливо для аналізу спектрограм різного профілю, отриманих, крім того, при різних нестандартних умовах вимірювання на різних зразках. Відомий спосіб діагностики маститу у корови, тобто ідентифікації наявності соматичних клітин у її біологічних рідинах (патент Російської Федерації №2249199, МПК G01N 21/27, 2004), який включає опромінювання світловим променем біологічної рідини відомих здорових корів та відомих маститних корів, вимірювання інтенсивності пропущених та/або відбитих світлових промінів в залежності від довжини хвиль, здійснення багатоелементного регресійного аналізу отриманих спектрограм з використанням метода головних компонент та будування класифікаційних моделей двох класів спектрограм, які відповідають біологічній рідині, вільній від соматичних клітин та тій, яка містить соматичні клітини. При отриманні спектрограми біологічної рідини невідомої корови здійснюють її ідентифікацію до класифікаційних моделей на основі вірогідності, розподілі або подоби. Достовірність ідентифікації наявності соматичних клітин у біологічній рідині корови рівна 85 %. Недоліком відомого способу є недостатня достовірність визначення кількості соматичних клітин та обмеженість області використання внаслідок того, що головні компоненти класифікаційних моделей не мають інваріантності до змін масштабу, кількості вимірювань та рівня перешкод спектрограм. Найбільш близьким по суті та отриманому технічному результату є спосіб визначення вмісту хімічної сполуки, однорідне розташованої у рідині (патент США №20080057589, МПК G01N 23/00, 2008), який включає вплив на рідину зовнішнього випромінювання з перемінною довжиною хвилі, вимірювання інтенсивності його поглинання та/або відбиття, та/або розсіювання, визначення по отриманих результатах спектрограми, розрахунок функції взаємної кореляції невідомої спектрограми з відомими спектрограмами, ідентифікацію по значеннях функції взаємної кореляції вмісту окремої хімічної сполуки. Використання нормуючого коефіцієнта забезпечує інваріантність функції взаємної кореляції відносно масштабу невідомих спектрограм та кількості вимірювань. Спосіб дозволяє аналізувати спектрограми, які були отримані у різному масштабі на різних зразках та з різною кількістю вимірювань і мають різний масштаб. Це дозволяє 94984 4 визначати з високою достовірністю (95 %) вміст окремого хімічного компонента в рідині. Недоліком відомого способу є відсутність інваріантності кореляційного аналізу відносно рівня перешкоди і, як наслідок, обмеження області використання тільки для визначення хімічних сполук, однорідно розташованих у рідині. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу автоматичної класифікації спектрограм рідини на наявність в її складі окремих хімічних сполук шляхом формування відповідних до кожного з них класів спектрограм, які визначають коефіцієнтами апроксимуючих функції Без'є, що характеризують форму спектрограм, та одночасно мають інваріантність до їх масштабу, кількості вимірювань та рівня перешкод. Поставлена задача реалізується таким чином, що у способі автоматичної класифікації спектрограм рідини на наявність в її складі окремих хімічних сполук, який включає вплив на рідину зовнішнього випромінювання з перемінною довжиною хвилі, вимірювання інтенсивності поглинання та/або відбиття, та/або розсіювання, отримання спектрограм відомих та невідомих зразків рідини, розрахунок функції взаємної кореляції невідомої та відомої спектрограм, ідентифікацію по отриманих результатах вмісту окремої хімічної сполуки, згідно з винаходом, додатково спочатку здійснюють автоматичну апроксимацію відомих спектрограм за допомогою кривих Без'є, потім по значеннях їх коефіцієнтів формують базу класифікаційних моделей, кожна з яких відповідна окремій хімічній сполуці і з якими потім автоматично за коефіцієнтом кореляції ідентифікують невідомі спектрограми, також апроксимовані за допомогою кривих Без'є. Заявлений спосіб дозволяє забезпечити автоматизовану класифікацію спектрограм по їх формі, а потім з високою достовірністю ідентифікувати невідому спектрограму з відомими. Причинно-наслідковий зв'язок між суттєвими ознаками винаходу та отриманим технічним результатом реалізується таким чином. Відомо, що автоматична обробка експериментально отриманих спектрограм, як функції інтенсивності випромінювання в залежності від довжини хвилі, потребує провести спочатку класифікацію спектрограм по їх формі для формування класифікаційних моделей. Спектрограми, які характеризують одну і ту ж рідину при різних вимірюваннях, можуть суттєво відрізнятися масштабом, кількістю вимірювань та рівнем перешкод. Автоматичну класифікацію спектрограм, які отримують при різних вимірюваннях, можливо забезпечити шляхом апроксимації кожної спектрограми відомої кривої, коефіцієнти якої мають інваріантність відносно масштабу, кількості вимірювань та рівня перешкод. Цим вимогам відповідає представлення спектрограм у вигляді кривих Без'є (Денискин Ю.И. Особенности аппроксимации обводов параметрическими полиномами в форме Бернтшейна //Прикладная геометрия. 1999. вып. 2, № 4). Функція Без'є є дугою площинної кривої третього порядку та має невелику кількість коефіцієнтів, а 5 саме вісім. Одна частина коефіцієнтів є координатами початкової та кінцевої крапок апроксимуючої кривої, а друга - координатами крапок, котрі управляють її формою. Методологія апроксимації кривими Без'є за допомогою ітераційного алгоритму розроблена автором ( Ітераційний алгоритм побудови кривої Без'є за заданими точками / Вишневський В.В., Рисцов І.К., Волжева М.В. // Математичні машини і системи. - 2004. - № 4. - С. 108116). Використання замість описання експериментальних спектрограм в просторі сигналів відображення апроксимуючих їх кривих Без'є в просторі їх коефіцієнтів дозволило забезпечити інваріантність такого опису відносно кількості вимірюваних сигналів у кожної спектрограми з будь-яким масштабом та рівнем перешкод. Крім того, це дозволяє автоматизувати класифікацію спектрограм по їх формі, що вкрай необхідно для автоматичного формування класифікаційних моделі та аналізу невідомих спектрограм. Суть винаходу пояснюють креслення, які приведені на фіг. 1, 2. На фіг. 1 приведена схема автоматичної класифікації спектрограм рідини на наявність в її складі окремих хімічних сполук; на фіг. 2 - спектрограма рідини і апроксимуюча її крива Без'є, де 1 - спектрограма, 2 - крива Без'є. Заявлений спосіб здійснюють таким чином: Вимірюють спектрограми відомих зразків рідини, які містять різні типи відомих хімічних сполук, по стандартних методиках за допомогою спектрофотометрів. Отримані спектрограми апроксимують кривими Без'є та запам'ятовують коефіцієнти апроксимуючих кривих в комп'ютерній базі даних з формуванням класифікаційних моделей за типом хімічних сполук. Вимірюють спектрограми невідомих зразків рідини по стандартних методиках за допомогою спектрофотометрів. Отримані спектрограми апроксимують кривими Без'є, визначають їх коефіцієнти та обчислюють функцію взаємної кореляції з аналогічними коефіцієнтами усіх класифікаційних моделей. По отриманих значеннях відносять невідомі спектрограми до тієї чи іншої класифікаційної моделі. В межах знайденої класифікаційної моделі здійснюють автоматичну ідентифікацію вмісту окремої хімічної сполуки також за допомогою обчислення функції взаємної кореляції між відомими та невідомими спектрограм. Спосіб був випробуваний при аналізі 1100 реальних спектрограм медичних препаратів крові у вигляді сироваток, отриманих по способу ''Онкотест" який описаний у патенті України №77549, 94984 6 МПК А61В 8/08, 2006. В цьому випадку принципово важливим є використання автоматичної класифікації спектрограм по формі та визначення класифікаційних моделей за типом хімічних сполук, який пояснює у якому органі іде розвиток онкопроцесу. За допомогою спектрофотометра Solar PV125 були зняті спектрограми дослідних та контрольних сироваток в діапазоні 360-500 нм з кроком в 1-2 нм. Отримані спектрограми були оброблені згідно заявленого способу. При цьому була виконана автоматична класифікація спектрограм згідно трьох класифікаційних моделей, кожна з котрих відповідна вмісту у сироватці специфічних окремого кальцій-білкового комплексу. Відомі спектрограми сироваток, які містять специфічні кальцій-білкові комплекси для різних класифікаційних моделей, наведені на фіг. 3, 4. На Фіг. 3 наведені дві спектрограми здорової людини (кальцій-білкові комплекси відсутні - перша класифікаційна модель). На фіг. 4 наведені: 1 - спектрограма людини з онкологією легень (специфічний для легенів кальцій-білковий комплекс присутній друга класифікаційна модель); 2 - спектрограма людини з онкологією шлунка (специфічний для шлунка кальцій-білковий комплекс присутній - третя класифікаційна модель); Автоматичне віднесення спектрограм до класифікаційних моделей, тобто класифікація спектрограм по формі, дозволяє установити наявність у сироватки крові людини різних специфічних кальцій-білкових комплексів, тип яких указує на орган, у якому зароджується онкопроцес. Достовірність автоматичної класифікації спектрограм сироватки крові людини порівняно з результатами паралельних гістологічних досліджень склала 100 %. Використання способу по прототипу, який потребує визначення функції взаємної кореляції невідомої спектрограми та відомої, у даному випадку неможливо, завдяки тому, що спектрограми, що досліджуються, по формі належать до різних класифікаційних моделей. Результати випробувань показали, що заявлений спосіб має поширену область використання і забезпечує високу достовірність автоматичної класифікації спектрограм сироватки крові людини на наявність у її складі різних типів специфічних кальцій-білкових комплексів. Таким чином, заявлений спосіб дозволяє автоматично класифікувати спектрограми рідин на наявність в її складі окремих хімічних сполук та ідентифікувати з високою достовірністю вміст цих хімічних сполук. 7 94984 8 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 94984 Підписне 10 Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601