中药在线近红外质量分析中的化学计量学算法研究及应用

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中药材成分复杂性、批次间存在较大差异等因素严重影响了中药产品的质量稳定性和均一性。为了有效解决这一问题,则必须实现对药物体系中化学成分的直接控制。以在线近红外光谱仪为核心设备,对中药生产过程进行在线检测和控制,可有效保证生产工艺稳定,质量可控。  化学计量学是中药在线近红外质量分析与智能控制中的核心技术,其算法性能和计算速度是其核心指标。本文的研究围绕这两个核心问题及其应用展开,具体工作如下:  在化学计量学理论和算法层面,探索利用非线性的流形学习算法提高算法性能,将Kernel Isomap与PLS相结合提出了Kernel Isomap-PLS算法,将其应用于建立血府逐瘀口服液的提取过程中羟基红花素-A与甘草酸铵的校正模型,效果较好;对Kernel Isomap算法中的邻域图的欧氏距离赋以权值,提出了WKIsomap算法,并进一步提出用于近红外光谱建模分析的WKIsomap-PLS算法。在标准谷物数据集上进行测试,WKIs-omap-PLS建模方法建模效果优于其它方法。在血府逐瘀口服液的提取过程中应用该算法,建立羟基红花素-A与甘草酸铵的校正模型,取得了较好效果。  在化学计算学软件实现和应用层面,提出并实现了偏最小二乘(PLS)算法的并行计算方法,并以此为基础,设计开发了一套化学计量学建模软件,与现有技术比较,可以大幅提高建模速度。现有的化学计量学软件普遍建模优化速度慢,其主要原因是建模优化过程基于单线程进行设计,没有充分利用多核芯资源。针对建模用计算机多为高端多核芯计算机的现状,提出采用并行计算的方法实现偏最小二乘(PLS)算法,并编程实现。以此为基础,开发完成了一整套化学计量学建模软件THUNIR。此外,考虑到光谱预处理和波长选择算法对建模结果和建模速度具有重要影响,本文实现了Filter和Warpper两大类多种波长选择算法,并对各算法进行了对比研究,方便用户根据按需选择。  针对吉林敖东吉林敖东药业集团有限公司中药质量NIR光谱在线检测及智能控制系统进行系统需求分析,探讨将数据库技术用于中药质量NIR光谱在线检测与分析系统中模型的提交、维护、选择,数据的显示等,取得初步成果。  本文提出的WKIsomap-PLS近红外光谱建模方法有效提高了建模性能,提出并实现了基于并行PLS的化学计量学方法,有效提高了建模速度。开发了一套化学计量学软件,并应用于吉林敖东药业集团有限公司的血府逐瘀口服液、安神补脑液的提取过程中,实现了对中药有效成分的实时检测和工艺诊断,有效保证了工艺稳定、产品质量可控。
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