Blind Source Separation of MALDI spectra from noise by sparse representation in a composite of linear bases

Význam tématu

Denoising MALDI spektroskopických dat je klíčový pro spolehlivou analýzu a interpretaci v oblasti proteomického zobrazování a průmyslové QA/QC. Metody pro oddělení signálu od šumu zlepšují poměr signál/šum, odstraňují artefakty a zvyšují reprodukovatelnost výsledků.

Cíle a přehled studie

Cílem studie je aplikovat blind source separation přístup se sparzní reprezentací v kompozitní bázi lineárních transformací, který umožní čisté oddělení signálové složky od různých zdrojů šumu v MALDI spektrech a současně perfektní rekonstrukci původních dat.

Použitá metodika

Metoda kombinuje dvě transformace:

• 1D Dual-Tree komplexní waveletová transformace pro efektivní reprezentaci signálu
• 1D diskrétní Fourierova transformace pro modelování šumu

Kompozitní báze je vytvořena sloupcovou konkatenací vážených matic αW a βF. Iterativní algoritmus využívá metodu shrinkage:

• Prahování koeficientů v transformované doméně pro podporu sparzity
• Projekci zpět do prostoru perfektní rekonstrukce původního spektra
• Postupné snižování prahové hodnoty θ(i+1)=γ·θ(i) až do konvergence

Použitá instrumentace

• MALDI TOF-TOF (MALDI-7090, Shimadzu)
• ITO sklíčka a SunCollect (Sunchrom) pro nanášení trápsinu a matrixu
• α-cyano-4-hydroxycinnamová kyselina jako matrix
• IonView (Shimadzu) pro export surových dat
• Matlab pro výpočetní zpracování algoritmu

Hlavní výsledky a diskuse

• Čisté oddělení signálových píku od chemického pozadí, elektrického šumu a baseline
• Rekonstrukce původních spekter při použití α=0.4, β=0.6, γ=0.9
• TIC spektrum: 97,07% redukce datového objemu (z 2,03 MB na 0,06 MB)
• Basepeak spektrum: 91,53% redukce datového objemu (z 2,03 MB na 0,17 MB)

Přínosy a praktické využití metody

• Zlepšení hodnocení poměru signál/šum a přesnější odhad šumu
• Automatizovaná baseline korekce a odstranění artefaktů
• Významná komprese dat snižující nároky na úložiště
• Možnost akcelerace výpočtů a integrace do pracovních postupů MALDI-MSI

Budoucí trendy a možnosti využití

Budoucí vývoj zahrnuje akcelerované implementace (GPU, FPGA), rozšíření aplikace na další techniky hmotové spektrometrie, realtime odšumování v průmyslu a trojrozměrné zobrazování tkání.

Závěr

Navržený BSS přístup se sparzní reprezentací v kompozitní bázi prokázal vysokou efektivitu při oddělení signálu od šumu v MALDI spektrech. Umožňuje přesnou rekonstrukci původních dat, odhad šumové složky i významnou kompresi spektroskopických záznamů.

Reference

• Bobin J., Starck J.-L., Fadili J., Moudden Y. IEEE Trans. Image Process., 2007, 16, 2662-2674
• Krutchinsky A. N., Chait B. T. J. Am. Soc. Mass Spectrom., 2002, 13(2), 129-134