基于独立成分分析及其改进方法的纳米孔传感信号提取的研究.pdfVIP

摘要

纳米孔传感信号是一种简单高效的分子检测方法，它具有灵敏的检测能力、高通量和低

成本等优点，被广泛用于DNA测序、蛋白质鉴定和病毒颗粒检测等众多场景。但原始的纳

米孔传感信号具有相对较高的背景噪声和较低的测量带宽，其中包括来自溶液、电路和系统

外的噪声，导致其难以直接应用于临床诊断。

为了提高纳米孔传感信号在分子检测中应用的准确性，本文在纳米孔传感信号处理环节

上进行了优化方案的研究，包括纳米孔传感信号的噪声分离和易位事件定位两部分。主要研

究内容以及成果结论如下：

（1）论文首次将独立成分分析方法应用于纳米孔传感信号，针对纳米孔传感信号噪声复

杂的情况，首先分析了纳米孔传感信号组成成分，说明利用独立成分分析方法实现对纳米孔

传感信号盲源分离的可行性。通过分析电流信号和电压信号的关系，去除电路相关噪声，实

现在分离噪声的同时保留分子易位的瞬态特性，在实验中得到了较好的还原效果，幅值保留

程度相对于滤波器方法处理结果提高27%。

（2）论文将小波变换和独立成分分析结合，首先将使用独立成分分析方法对观测信号进

行分离，然后结合小波变换去除与系统无相关性的噪声。结果表明，最终使分离出的纳米孔

传感信号在信噪比指标上相对于单独使用独立成分分析和小波变换分别提升了47%和51%。

（3）针对易位事件脉冲定位时由于脉冲电流延迟回到基线导致拐点错位的问题，我们使

用二阶差分矫正来修正起止点的选取，针对使用二阶差分矫正无法直接在低信噪比的信号上

使用，我们通过本文提出的降噪方法进行去噪以平滑拐点附近迹线，使用改进二阶差分方法

识别出的易位事件数量比原始方法提高20%，提取的特征散点图更加聚拢，符合真实情况。

论文方法在纳米孔传感信号分析的预处理环节上，实现了不同的优化方案，对于后续分

析物识别准确度提高具有较高的推动意义。

关键词:纳米孔传感信号，独立成分分析，小波变换，降噪，易位事件识别

Abstract

Nanoporesensingsignalsareasimpleandefficientmethodformoleculardetection,widely

usedinvariousscenariossuchasDNAsequencing,proteinidentification,andvirusparticle

detection.Ithasevolvedfromtheearliestbiologicalporestosolid-statepores.Nanoporesensing

technologyhassensitivedetectioncapabilities,highthroughput,lowcost,andsignificantpotential.

However,duetotherelativelyhighbackgroundnoiseandlowmeasurementbandwidthofnanopore

sensingsignals,theobservedsignalsaremixedwithnoisefromsolutions,circuits,andexternal

systems,makingitdifficulttoapplysignalfeatureextractioninclinicalapplicationsanddiagnostic

analysis.

Toimprovetheaccuracyofnanoporesensingsignalsinmoleculardetection,thispaper

conductedresearchonoptimizationschemesinthesignalprocessingofnanoporesensing,including

noiseseparationofnanoporesensingsignalsandtranslocationeventloc