0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

一种基于深度学习的二维拉曼光谱算法

光子芯片实验室 来源:光子芯片实验室 2024-11-07 09:08 次阅读

近日,天津大学精密仪器与光电子工程学院的光子芯片实验室提出了一种基于深度学习的二维拉曼光谱算法,成果以“Rapid and accurate bacteria identification through deep-learning-based two-dimensional Raman spectroscopy”为题,发表在《Analytica Chimica Acta》上。

表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)可以提供分子独特的振动指纹,具有预处理简单、灵敏度高和无创检测等优点。随着人工智能(artificial intelligence, AI)威廉希尔官方网站 的快速发展,基于AI的拉曼光谱分析在细菌识别等生物传感领域具有广阔前景。目前,为了更加精确地实现细菌识别,研究者们提出将一维拉曼光谱转换为二维拉曼光谱图来获取更加丰富的数据信息。但是,高分辨率的二维拉曼光谱图在提高识别准确度的同时,通常会引起计算时间过长等问题。

在本项工作中,研究者们提出了一种低分辨率、多信息量的二维拉曼光谱图处理算法,验证了其在细菌识别中的可行性。该算法基于小波包变换与格拉姆角场(Wavelet Packet transform and Gramian Angular field, WPGA)威廉希尔官方网站 ,利用深度学习模型实现快速高效地识别细菌。如图1所示,识别过程主要包括三个步骤,首先,采集细菌样品的SERS光谱并进行预处理;其次,利用WPGA算法将一维拉曼光谱转换成二维拉曼光谱图,这是本项工作能够实现快速高效分类的关键。由于分子振动,拉曼光谱常会出现微小的特征峰,但由于这些信息频率相对较高,在光谱平滑过程中容易被忽略。因此,我们采用小波包变换威廉希尔官方网站 ,对高频信息成分进行更为精细的筛选,以减少有用信息的损失。然后利用格拉姆角场威廉希尔官方网站 ,对筛选后的有效特征添加序列信息来提高识别精确度。最后,通过训练深度学习模型来识别细菌。

be1a31a0-9bf0-11ef-a511-92fbcf53809c.png

图1.细菌识别的主要步骤。包括三个步骤:拉曼数据收集、WPGA算法处理和二维光谱图分类。

基于提出的算法,研究者们对枯草芽孢杆菌和酵母菌的SERS光谱进行了分类验证。图2(a)展示了基于卷积神经网络进行该二元分类问题的训练过程,结果表明验证集的精度可以达到99.75%,损失为0.0074。图2(b)展示了模型训练完成后,使用测试集来评估分类性能,识别准确率为99.64%,初步证明了该算法的可行性。为了验证该算法的泛化能力,研究者们进一步开展了基于Bacteria-ID公共数据集的多分类识别任务。图2(c)展示了没有进行WPGA算法处理时,30种细菌在二维空间中的分布,不同类别之间的相互混合,难以区分。如图2(d)所示,利用所提算法后,不同种类的细菌彼此分离,基于Resnet网络模型的分类识别准确率可以达到90.55%。

be304b34-9bf0-11ef-a511-92fbcf53809c.png

图2.两种及多种细菌的分类识别结果。(a)训练集和验证集的准确率和损失曲线;(b)测试集的混淆矩阵;(c)数据集在二维空间中的分布;(d)使用WPGA算法后,数据集在二维空间中的聚类效果。

本论文第一作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的硕士生刘怡辰,通信作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授、胡浩丰教授和高翊盛博士。该工作得到了国家自然科学基金(62161160335、62175179、62475188、61805175、12304428)、天津市自然科学基金(23JCJQJC00250)、广东省自然科学基金(2022B1515130002)和日本学术振兴会(JP18K13798)项目的支持。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 算法
    +关注

    关注

    23

    文章

    4607

    浏览量

    92842
  • 二维
    +关注

    关注

    0

    文章

    40

    浏览量

    11983
  • 深度学习
    +关注

    关注

    73

    文章

    5500

    浏览量

    121114
  • 拉曼光谱
    +关注

    关注

    0

    文章

    83

    浏览量

    2738

原文标题:面向细菌识别应用的二维拉曼光谱处理算法

文章出处:【微信号:光子芯片实验室,微信公众号:光子芯片实验室】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    一种基于二维离散小波变换的医学图像增强算法

    一种基于二维离散小波变换的医学图像增强算法 噪声是影响医学图像质量的最重要的因素之。去除噪声,增强图像以提高图像质量是医学图像处理的重要课题。传
    发表于 02-22 17:15 51次下载

    广义二维相关光谱学发展

    广义二维相关光谱学发展 介绍了一种重要的广义二维相关光谱方法,对其基本原理、获取谱图的方法、数学计算过程、谱图的性质及其解释规则等作了详细
    发表于 02-27 09:39 8次下载

    一种基于FPGA的二维DCT和IDCT的新算法

    提出了一种新的二维DCT和IDCT的FPGA实现结构,采用行列快速算法二维算法分解为两个
    发表于 01-12 10:35 59次下载
    <b class='flag-5'>一种</b>基于FPGA的<b class='flag-5'>二维</b>DCT和IDCT的新<b class='flag-5'>算法</b>

    一种快速二维到来方向估计算法

    讨论了无线网络通信中多径窄带信号的二维到来方向估计算法的特点和性能,提出了一种基于双平行线阵列结构的二维到来方向估计的快速算法.与以前的工作
    发表于 03-28 15:12 19次下载
    <b class='flag-5'>一种</b>快速<b class='flag-5'>二维</b>到来方向估计<b class='flag-5'>算法</b>

    基于深度学习二维人体姿态估计算法

    ,更能充分地提取图像信息,获取更具有鲁棒性的特征,因此基于深度学习的方法已成为二维人体姿态估计算法研究的主流方向。然而,深度
    发表于 04-27 16:16 7次下载
    基于<b class='flag-5'>深度</b><b class='flag-5'>学习</b>的<b class='flag-5'>二维</b>人体姿态估计<b class='flag-5'>算法</b>

    二维材料及其光谱表征

    光谱在石墨烯和过渡金属卤化物等二维材料的表征和应用中起着重要作用。通过结合二维层,即所谓的
    的头像 发表于 04-03 07:37 572次阅读
    <b class='flag-5'>二维</b>材料及其<b class='flag-5'>拉</b><b class='flag-5'>曼</b><b class='flag-5'>光谱</b>表征

    光谱威廉希尔官方网站 系统详解

    分光,然后使用ccd,极管阵列同时探测不同波长的信号。对于后者,探测器使用的是PMT,APD等点探测器,得到的原始信号是信号经过迈
    的头像 发表于 05-10 07:11 2537次阅读
    <b class='flag-5'>拉</b><b class='flag-5'>曼</b><b class='flag-5'>光谱</b>威廉希尔官方网站
系统详解

    从单层石墨烯中收集光谱

    背景 Ping-Heng Tan教授在北京中国科学院的研究重点是二维层状材料的光学性质。这还包括相关的异质结构、纳米碳材料和新型低半导体材料。 图1:(a)显示了通过自制的微模块
    的头像 发表于 09-18 14:49 483次阅读
    从单层石墨烯中收集<b class='flag-5'>拉</b><b class='flag-5'>曼</b><b class='flag-5'>光谱</b>

    光谱仪的原理及应用

    光谱(Raman spectra),是一种散射光谱
    的头像 发表于 09-09 09:45 1w次阅读
    <b class='flag-5'>拉</b><b class='flag-5'>曼</b><b class='flag-5'>光谱</b>仪的原理及应用

    二维材料层的共振光谱

      光谱直是表征石墨烯、六方氮化硼或过渡金属硫属化物 (TMD) 等二维材料的最重要的测
    的头像 发表于 11-30 15:34 507次阅读
    <b class='flag-5'>二维</b>材料层的共振<b class='flag-5'>拉</b><b class='flag-5'>曼</b><b class='flag-5'>光谱</b>

    先进的光谱威廉希尔官方网站

    的低信号。信号增强可以通过使用两理论来实现。第一种是表面增强光谱(SERS),它使用金属表面来放大局部电场,增加拉
    的头像 发表于 01-15 06:35 352次阅读
    先进的<b class='flag-5'>拉</b><b class='flag-5'>曼</b><b class='flag-5'>光谱</b>威廉希尔官方网站

    文解析散射和光谱

    光谱一种功能强大且用途广泛的分析威廉希尔官方网站 ,用于研究分子和材料样品。该威廉希尔官方网站 基于光的非弹性散射,也称为
    的头像 发表于 03-29 11:36 1106次阅读
    <b class='flag-5'>一</b>文解析<b class='flag-5'>拉</b><b class='flag-5'>曼</b>散射和<b class='flag-5'>光谱</b>学

    一种用于化学和生物材料识别的便携式光谱解决方案

    基于扫频光源的紧凑型光谱系统:美国麻省理工学院(MIT)和韩国科学威廉希尔官方网站 院(KAIST)的研究人员开发了一种用于化学和生物材料识别的便携式
    的头像 发表于 04-16 10:35 523次阅读
    <b class='flag-5'>一种</b>用于化学和生物材料识别的便携式<b class='flag-5'>拉</b><b class='flag-5'>曼</b><b class='flag-5'>光谱</b>解决方案

    光谱仪原理及应用

    ,仍与入射光的频率相同,这种散射称为瑞利散射;还有一种散射光不仅传播方向发生了改变,而且该散射光的频率也发生了改变,从而不同于激发光的频率,这种散射称为散射。
    的头像 发表于 07-01 06:28 646次阅读

    光谱的原理及其应用

    光谱的原理 光谱(Raman spect
    的头像 发表于 08-26 06:22 329次阅读