基于局域阈值的纳米孔检测电流信号特征信息提取方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于局域阈值的纳米孔检测电流信号特征信息提取方法及装置，预先获取一段时间内纳米孔传感器离子电流信号数据，选定移动窗内局域数据，进行基线和双阈值设定，从而初步判定出一个脉冲信号的起始点和终止点；对初步选定的脉冲电信号数据利用傅里叶级数进行拟合，并通过二阶差分和上升时间方法进行校正，进一步筛选纳米孔内分子易位引起的脉冲信号；对判定的分子易位事件引起的脉冲信号进行特征信息提取；选定信号的分子特征事件提取的多维参量信息进行保存输出，并进行统计分析，高通量的处理纳米孔电信号数据。本发明精度高，数据批量化处理，实现了对纳米孔传感器大数据进行高通量自动分析，有助于纳米孔传感器的广泛应用。

说明书

技术领域

本发明属于信号处理及软件设计领域，具体涉及一种基于移动窗孔内局域阈值的纳米孔检测电流信号特征信息提取方法及装置。

背景技术

纳米孔传感器作为一个单分子检测工具越来越广泛的应用于生物传感检测分析领域，具有无需标记和扩增，低成本，灵敏和高通量等优势，可以用来检测未标记的各类生物分子，如DNA，RNA，蛋白质以及配体或蛋白质-DNA复合物等。纳米孔检测方法很简单，当分子通过纳米孔时，会引起离子电流增加或者降低，产生一系列脉冲信号，分析物的大小，电荷以及构象等信息都隐藏在分子事件脉冲信号中。因此纳米孔传感实验得到的大量电流脉冲信号的判定和信息提取十分重要。目前已有的纳米孔检测电流信号的信息提取处理方法比较有限，如calmfit中主要有阈值设定和模板法，选定一个阈值或者模板事件，简单的根据差值或者比对去判定分子易位事件引起的脉冲信号。该方法对于DNA等长的线性分子过孔引起的长时间的矩形信号具有一定的识别度。但是当基线电流噪音大，特别是分子过孔速度快，脉冲信号时间短小时，分子易位事件引起的脉冲信号常常难以识别，甚至出现很多假信号，信息的读取和输出都受到限制。

目前纳米孔传感器检测范围的扩大，不同分子易位引起的信号变化更加多样，采集到的脉冲信号也更加复杂，因此一款高效和准确的纳米孔电流检测信号的信息提取新方法的开发尤其迫切。在此基础上，本发明主要基于matlab工具设计了自适应的传感器电信号的分子特征事件判定和提取方法，通过设置信号窗口及双阈值判定标准，对选取的数据段进行脉冲信号的识别，同时对数据进行拟合和校正，排除背景噪音等信号干扰。一旦纳米孔传感器脉冲信号确定，该方法进一步将特征事件的滞留时间、信号脉冲幅度以及整个事件的信号积分面积等参量进行提取并进行保存输出，并提供特征事件各个参量的统计分析图等功能。

发明内容

发明目的：本发明提出一种基于局域阈值的纳米孔检测电流信号特征信息提取方法及装置，主要针对纳米孔传感器检测到的电流脉冲信号进行特征信息提取，实现对检测到的易位分子脉冲信号的特征信息采集、信号分析表征等功能。

发明内容：本发明提出一种基于局域阈值的纳米孔检测电流信号特征信息提取方法，具体包括以下步骤：

(1)预先获取一段时间内纳米孔传感器离子电流信号数据，选定移动窗内局域数据，进行基线和双阈值设定，从而初步判定出一个脉冲信号的起始点和终止点，每个脉冲信号代表了纳米孔内一个检测分子通过引起的阻塞电流变化，称为一个分子易位事件；

(2)对初步选定的脉冲电信号数据利用傅里叶级数进行拟合，并通过二阶差分和上升时间方法进行校正，进一步筛选纳米孔内分子易位引起的脉冲信号；

(3)当脉冲信号判定为纳米孔分子特征事件，对判定的分子易位事件引起的脉冲信号进行特征信息提取，包括脉冲信号的滞留时间、幅值，峰位，电压以及信号积分等信息；

(4)将选定信号的分子特征事件提取的多维参量信息进行保存输出，并进行统计分析，高通量的处理纳米孔电信号数据。

进一步地，所述步骤(1)实现过程如下：

纳米孔离子电流为：

其中，I

其中，I

进一步地，所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)基于拟合实验阻塞信号到傅里叶级数的平滑方法：

其中，a

(22)基于拟合过后的事件数据进行两次差分运算，求新得到的数据的极值点，对起始点的校正从事件开始到结束，当两个极值点之间存在电流值满足小于整个拟合事件电流均值的条件时，将前一个极值点设为新的事件起始点，后续极值点不再予以考虑，从拟合事件的开始到结束进行运算；对终止点的校正刚好相反，从事件结束到开始，满足电流值与基线电流差值在上、下阈值之间的第一个极值点设为新的终止点；

(23)低通滤波器的上升时间Tr阻止了阻塞信号达到其真正的最小值或平台：

T

其中，f

进一步地，所述步骤(3)实现过程如下：

t

I

其中，t

基于相同的发明构思，本发明还提供一种基于局域阈值的纳米孔检测电流信号特征提取装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的基于局域阈值的纳米孔检测电流信号特征提取方法。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、通过移窗法分批处理电流信号，区域内基线电流相对稳定，有效提高了处理信号的效率和准确性；2、采用上下阈值对信号事件进行判定，同时采用二阶差分方法和上升时间校正法，提高了信息提取的精确性；3、获取的分子易位引起的脉冲信号信息更加丰富，提供持续时间、幅值、电流积分值、电压等信息，有助于建立分子事件分类数据库；4、借助matlab程序自带程序，具有自适应性，参数灵活设置，便于多维度统计分析。

附图说明

图1纳米孔传感器检测电流脉冲信号的判定原理图；

图2为分子易位事件引起的脉冲信号图；

图3为时间起始点判断示意图；

图4为上升时间起始点校正示意图；

图5为二阶差分DBC起始点校正示意图；

图6纳米孔脉冲信号分子事件识别方法界面图；

图7纳米孔脉冲信号分子事件特征信息提取图，其中(a)为事件列表；(b)为单个事件图像；(c)为信号特征信息；

图8分析窗口内提取的分子事件的滞留时间和幅值的分布散点图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行清晰、完整地描述。

本发明提出一种基于局域阈值的纳米孔检测电流信号特征信息提取方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：预先获取一段时间内纳米孔传感器离子电流信号数据，选定移动窗内局域数据，进行基线和双阈值设定，从而初步判定出一个脉冲信号的起始点和终止点，如图3所示，每个脉冲信号代表了纳米孔内一个检测分子通过引起的阻塞电流变化，称为一个分子易位事件。

分子易拉事件引起的脉冲信号如图2所示，纳米孔离子电流为：

其中，I

为了最小化基线漂移的影响，将加载的电信号数据分段读取，对于局域内数据进行基线设定，设定窗口宽度(ww)；窗口内数据点设为i，基线电流为窗口中所有数据点电流值的均值,根据移动窗口平均来估计局部基线，设置为baseline(i)。检测初态为0，从窗口后第一个点开始判断(i＝ww+1)；根据脉冲信号的变化设定极小阈值u

其中，I

当分子进入孔发生堵塞后，孔内离子电流下降，因此窗口中的事件起始点的电流值应小于基线电流，同时其与基线电流的差值应大于初始设定的下阈值和小于上阈值(u

步骤2：对初步选定的脉冲电信号数据利用傅里叶级数进行拟合，并通过二阶差分和上升时间方法进行校正，进一步筛选纳米孔内分子易位引起的脉冲信号。

由于纳米孔电信号采样频率100kHz以上，数据量庞大，具有一定的背景噪音。为了避免噪声的影响，应用基于拟合实验阻塞信号到傅里叶级数的平滑方法：

其中，a

如图4所示，基于拟合过后的事件信号数据，求出其极值数据点，设置两个阈值u

如图5所示，基于拟合过后的事件数据进行两次差分运算，求新得到的数据的极值点，当两个极值点之间存在电流值满足小于整个拟合事件电流均值的条件时，将前一个极值点设为新的事件起始点，后续极值点不再予以考虑，从拟合事件的开始到结束进行运算。

低通滤波器的上升时间(Tr)阻止了阻塞信号达到其真正的最小值或平台。通常，滞留时间小于2Tr的阻塞信号严重减弱。过滤器的Tr可以通过估计：

T

其中，fc是滤波器的频率。低通滤波器可消除阻塞信号形状变形等短期波动，例如颤噪声。过滤器的上升时间会导致阻塞信号的延长。

步骤3：当脉冲信号判定为纳米孔分子特征事件，对判定的分子易位事件引起的脉冲信号进行特征信息提取，包括脉冲信号的滞留时间、幅值，峰位，电压以及信号积分等信息。

脉冲信号滞留时间t

步骤4：将选定信号的分子特征事件提取的多维参量信息进行保存输出，并进行统计分析，高通量的处理纳米孔电信号数据。

基于相同的发明构思，本发明还提供一种基于局域阈值的纳米孔检测电流信号特征提取装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的基于局域阈值的纳米孔检测电流信号特征提取方法。

基于MATLAB GUI(Graphical User Interface)设计，采用移动窗口内局域数据的阈值设定，对纳米孔检测电流的脉冲信号进行识别和信息提取分析。该过程主要包括阈值设定和数据校正，以及信息提取和结果展示等部分。判断分子过孔事件的基本原理就是观察变化的电流信号相对于基线电流的波动幅度，所以双阈值的设定非常重要。通过设置信号窗口及双阈值判定标准，对选取的数据段进行脉冲信号的识别，同时对数据进行拟合和校正，排除背景噪音等信号干扰。一旦纳米孔传感器的电流脉冲信号确定，进一步将特征事件的滞留时间、信号脉冲幅度以及整个事件的信号积分面积等参量进行提取并进行保存输出，并提供分子事件特征信息的统计和分析图谱。

主要实施操作界面如图6所示。打开主程序，载入数据之后将信号显示在坐标系内，坐标系横轴为时间，纵轴为电流幅值。从图6中可以看到，我们所截信号为原始信号约60s到70s之间的一段信号。

完成数据的载入后，进行信号特征提取分析，首先要找出窗口内易位事件。原理是基于移动窗口平均算法，得到每个窗的基线电流，根据设置的阈值对单个阻塞信号进行定位，列出所有易位事件。这里移窗平均法的窗宽我们设置为200。我们设置了两个阈值对事件进行筛选，一个低阈值u

单击“Start”按钮，开始分析处理。等待片刻，出现提示音与提示窗口，表示处理完成。找出的所有事件，显示在事件列表里。如图7所示的列表中，每一事件都有序号，且计算出了长度，这里的长度是指事件中的数据点数。单击事件列表中的任一事件，可以显示该事件阻塞信号的图像。如图7(a)，7(b)所示，这里显示的是第40个事件的单个阻塞信号，其中黑色线条为基于移窗平均算法得到的基线电流，黑色虚线为未校正之前的单个阻塞信号，黑色实线为校正过的单个阻塞信号的实际部分。此外还对信号进行了拟合，在图像中用黑色虚线拟合。之后在图7(c)结果中显示所有的信号特征信息：滞留时间，幅值，电流积分值，峰值，偏置电压。这里得到的幅值是基于事件中所有数据点的平均值，而峰值是事件数据点最小值与基线的差值，所以得到的峰值都要比幅值大一些。

单击界面上的“scatter”按钮，可以对所有的事件绘制散点图，如图8所示。以x轴为事件的滞留时间，y轴为事件的幅值。从图中可以看出，滞留时间集中在0～0.5微秒间，幅值在4～6pA之间最为密集。我们正是基于统计这种大量的单个阻塞信号来对分子进行检测，可以看出滞留时间都是微秒级别的，说明分子过孔速度极快，这也是信号采集和识别的主要困难。此外，我们点击操作界面上的“save”和“save fitted data”,可以实现将所有事件的信号特征信息和拟合前后的数据保存为文本或者表格形式，便于进一步分析。