對時間序列中事件的檢測和識別是科學(xué)和工程領(lǐng)域無數(shù)傳感器的基礎(chǔ)。這項任務(wù)通常需要在大量背景噪聲中處理低質(zhì)量的信號，因此很難依賴簡單的閾值算法通過使用高于設(shè)定值的信號來檢測和分類事件。

這可以通過改進傳感器本身來解決，但這種方案不利于最小化成本和簡化系統(tǒng)。因此，有吸引力的替代方案是通過使用適當(dāng)?shù)男盘柼幚砑夹g(shù)來優(yōu)化分析，從可用的時域信號中提取更多的信息。

在捕捉時間相關(guān)信號的眾多傳感器中，光學(xué)傳感器特別具有代表性。它們的應(yīng)用已經(jīng)無處不在，并在分子診斷、細胞分析、健康監(jiān)測等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。

光學(xué)傳感器種類繁多，其中有些傳感器會通過檢測正在移動或被掃描的單個目標（例如細胞、生物分子或報告粒子）而生成一系列時間相關(guān)的單個事件。近來，這類應(yīng)用場景的重要性顯著提高，例如光學(xué)微流控（optofluidic）技術(shù)提高了生物傳感器檢測單分子生物標記物的靈敏度，開啟了利用通用檢測設(shè)備對不同類型目標進行數(shù)字計數(shù)的時代。

由于無需擴增便能夠檢測核酸和蛋白質(zhì)等單個生物標記物，光學(xué)微流控波導(dǎo)器件近年來受到了廣泛關(guān)注。

光學(xué)微流控單粒子檢測平臺

這些光學(xué)芯片實驗室方法為即時診斷應(yīng)用開發(fā)緊湊型診斷測試器件打開了大門。隨著新冠疫情的大流行，這種需求日益迫切。即時診斷器械對生物傳感器也提出了更高的要求，希望它們更廉價、緊湊且堅固。作為很好的用例，意味著需要優(yōu)化信號處理技術(shù)，來處理那些存在背景噪聲的低質(zhì)量數(shù)據(jù)。此外，實時數(shù)據(jù)分析，也對信號處理算法提出了進一步的要求。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國加州大學(xué)圣克魯茲分校（University of California，Santa Cruz）的Vahid Ganjalizadeh及其研究團隊介紹了一種靈活的信號處理算法，用于單粒子信號的無監(jiān)督檢測和識別。該算法基于高度并行、多尺度連續(xù)小波變換（CWT）分析，可以應(yīng)對上述即時檢測傳感器的挑戰(zhàn)，尤其是速度、精度以及對低信號水平的靈敏度。該算法的高精度、線性復(fù)雜度和高速度非常適合實時事件檢測應(yīng)用。

研究人員展示了這種并行聚類小波分析（PCWA）算法對單點和多點激發(fā)信號的處理能力，并通過光學(xué)微流控波導(dǎo)芯片上的單個細菌DNA檢測進行了驗證。對于單峰信號，與普通CWT方法相比，PCWA算法的速度提高了幾個數(shù)量級。這是首次實現(xiàn)這類傳感器的實時工作，這對于在現(xiàn)場的即時診斷應(yīng)用非常關(guān)鍵。

用于單峰分析的PCWA算法

該算法對其他類型的傳感器也展現(xiàn)了同樣強大的性能，例如單分子納米孔傳感器。對于多峰信號，引入了定制設(shè)計的小波，與之前用于周期信號的技術(shù)相比，其單分子檢測率提高了4倍以上，誤差降低了6倍。

多峰檢測方法

結(jié)語

美國加州大學(xué)研究人員提出的這種PCWA算法以高度并行的方式運行，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準確、高效地檢測和實時事件識別。

未來，該技術(shù)可以進一步動態(tài)擴展，根據(jù)特定傳感器生成的模式調(diào)整多峰母小波的形狀，從而進一步提高性能。這種靈活性將成為即時診斷器械的理想選擇，因為它進一步降低了為產(chǎn)生相同激發(fā)模式而提出的與制造工藝相關(guān)的公差和成本要求。此外，該算法還可以應(yīng)用于有監(jiān)督機器學(xué)習(xí)任務(wù)的自動數(shù)據(jù)集收集和標記應(yīng)用。

審核編輯 ：李倩