【摘要】：目前,由細(xì)菌而引發(fā)的感染性疾病越來(lái)越多,快速、準(zhǔn)確的識(shí)別致病細(xì)菌,將對(duì)相關(guān)疾病的及時(shí)預(yù)防或治療有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。蛋白質(zhì)組(Proteomics)是一切生命現(xiàn)象的物質(zhì)支撐,對(duì)蛋白質(zhì)組的研究,可以實(shí)現(xiàn)物種鑒定與疾病病理分析。質(zhì)譜技術(shù)(Mass Spectrometry,MS)因可大量、并行、完整地檢測(cè)蛋白質(zhì)分子而成為蛋白質(zhì)組學(xué)分析的重要手段。然而,在當(dāng)前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,要對(duì)所獲質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析而達(dá)成細(xì)菌鑒定的目的,都必須使用某些額外的商用儀器自帶軟件(如CliProTools等)。重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院的醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中心(以下簡(jiǎn)稱中心)經(jīng)歷一定時(shí)期的積累,已獲取較大數(shù)量臨床細(xì)菌樣本的質(zhì)譜數(shù)據(jù),而前述的儀器配套軟件在處理該類數(shù)據(jù)時(shí)功能有限且使用成本較高,所以中心期望與課題組合作,尋找適合的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析方法對(duì)已獲取的臨床質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行充分挖掘,并最終能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)菌鑒別、輔助醫(yī)療決策。然而,質(zhì)譜數(shù)據(jù)本身具有高維小樣本(High-Dimensionality and Small Sample size,HDSS)的特點(diǎn),為基于它的后續(xù)分析應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。而且已有研究未考慮到臨床生物質(zhì)譜數(shù)據(jù)的復(fù)雜特性,如因所用儀器誤差和不同實(shí)驗(yàn)操作差異、以及儀器量程較小等問(wèn)題而帶來(lái)的影響。因此,在當(dāng)前對(duì)臨床復(fù)雜生物質(zhì)譜數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用鮮有研究的情況下,亟待設(shè)計(jì)一個(gè)更加有效普適的質(zhì)譜數(shù)據(jù)分析方法,實(shí)現(xiàn)基于臨床質(zhì)譜數(shù)據(jù)的微生物分類。為了完成以上目標(biāo),我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以下的一套針對(duì)臨床質(zhì)譜數(shù)據(jù)的細(xì)菌分類方法:首先預(yù)處理階段,通過(guò)一種特殊的分滑窗(Bining-Sliding,BS)預(yù)處理方法處理質(zhì)譜數(shù)據(jù),在對(duì)齊雜亂數(shù)據(jù)的同時(shí),盡可能的去除因質(zhì)譜儀器所致的系統(tǒng)誤差,使得后續(xù)分析更加順利;然后在特征選擇階段,廣義特征選擇包含在度量空間和轉(zhuǎn)換空間兩種選擇策略,本文將兩方面策略結(jié)合:(1)首先將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換,并根據(jù)代表信號(hào)與代表噪聲的小波系數(shù)模極大值(Wavelet Transform Modulus Maxima,WTMM)在各分解層級(jí)上具有不同的相關(guān)性傳播規(guī)律,剔除臨床質(zhì)譜數(shù)據(jù)包含的大量噪聲,提取隱含的質(zhì)譜特征;(2)然后依據(jù)質(zhì)譜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性,設(shè)計(jì)一種基于t檢驗(yàn)的種群初始化改進(jìn)遺傳算法用于封裝式特征選擇。在改進(jìn)的遺傳算法中,t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量被用作初始化種群的先驗(yàn)信息,而分類性能指標(biāo)直接作為遺傳算法的適應(yīng)度評(píng)價(jià)指標(biāo);在整套方法的最后,基于提取出的生物質(zhì)譜特征訓(xùn)練支持向量機(jī)(Support Vector Machine,SVM)分類器,最終實(shí)現(xiàn)微生物的分類識(shí)別。本文針對(duì)中心提供的臨床金黃色葡萄球菌(Staphylococcus Aureus,S.aureus)質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以區(qū)分耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(Methicillin-Resistant S.aureus,MRSA)和敏感型菌(Methicillin-Sensitive S.aureus,MSSA)為目標(biāo)。幾組對(duì)比實(shí)驗(yàn)的多次交叉驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果顯示,新提出的方法將基于臨床質(zhì)譜數(shù)據(jù)的細(xì)菌分類準(zhǔn)確率從0.63提升到了0.82,而且它的靈敏度和特異度比較平衡,均在0.8左右,都取得了一個(gè)較好的細(xì)菌鑒別效果。同時(shí)新設(shè)計(jì)方法的多次試驗(yàn)所得結(jié)果性能穩(wěn)定,準(zhǔn)確率標(biāo)準(zhǔn)差低至0.008。因此本文新設(shè)計(jì)的一套結(jié)合小波與遺傳算法選擇質(zhì)譜特征的細(xì)菌分類方法可以針對(duì)臨床質(zhì)譜數(shù)據(jù)有效識(shí)別細(xì)菌。且本方法具有一定容錯(cuò)性和普適性,可以用于分析處理各種特性的質(zhì)譜數(shù)據(jù),揭示質(zhì)譜所反映的類型差異,實(shí)現(xiàn)微生物識(shí)別或疾病診斷的輔助功能。
【圖文】：

圖 1-1 課題技術(shù)方案課題主要工作內(nèi)容如下：其一、本研究采用一個(gè)分窗與滑窗結(jié)合的方法進(jìn)行預(yù)處理。首先分窗策略，根譜儀的系統(tǒng)誤差設(shè)定分窗窗寬，在消除所得質(zhì)譜數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差的同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)與對(duì)齊；隨后，因?yàn)橹苯臃执暗碾x散方式過(guò)于生硬，本課題輔以滑窗策略，融來(lái)的主觀誤差，提升算法容錯(cuò)度。其二、本研究在特征選擇階段，結(jié)合廣義特征選擇的度量空間和轉(zhuǎn)換空間兩種，即將特征選擇和特征提取兩種方法結(jié)合使用:（1）根據(jù)臨床金黃色葡萄球菌質(zhì)譜數(shù)據(jù)的噪聲特性和質(zhì)譜數(shù)據(jù)本身的不穩(wěn)定將質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分解。通過(guò)將數(shù)據(jù)進(jìn)行小波譜轉(zhuǎn)換，計(jì)算小波系數(shù)模極利用信號(hào)和噪聲的極值在各分解層級(jí)上具有不同的相關(guān)性傳播規(guī)律，而去除噪出有效的蛋白質(zhì)峰。

經(jīng)飛行管道中電場(chǎng)的加速作用，形成離子束，最后飛進(jìn)質(zhì)磁場(chǎng)的作用使之發(fā)生相反的速度色散，，然后將它們分別進(jìn)行聚譜圖，最終分析確定各組分粒子的質(zhì)量[26]。質(zhì)譜儀對(duì)待測(cè)樣本據(jù)即為質(zhì)譜圖。質(zhì)譜圖是將檢測(cè)到的觀測(cè)樣本粒子，依據(jù)所小按順序排列而成的圖譜[57]。質(zhì)譜法可以在一次分析試驗(yàn)中所有物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。將質(zhì)譜法結(jié)合分離技術(shù)用于有機(jī)分子的鑒無(wú)疑義的綻放異彩。因?yàn)橘|(zhì)譜法能快速而準(zhǔn)確地測(cè)定生物大分高特異性和高靈敏度，因而是蛋白質(zhì)組學(xué)分析的有效方法，且而得到廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜技術(shù)分析的儀器，是一類能分離有機(jī)化合物并進(jìn)行物26]通過(guò)激光照射等方法使物質(zhì)粒子離子化，再通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)道到達(dá)質(zhì)量分析器，然后將按離子到達(dá)的不同空間位置、不同進(jìn)行分析，最終實(shí)現(xiàn)質(zhì)荷比分離，并同時(shí)檢測(cè)離子強(qiáng)度。質(zhì)譜組成：樣品導(dǎo)入系統(tǒng)、離子化系統(tǒng)、質(zhì)量分析器、檢測(cè)器和數(shù)
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：R446.5;O657.63

【參考文獻(xiàn)】

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1 蔣惟;SELDI血清蛋白質(zhì)譜腫瘤標(biāo)志物挖掘方法研究[D];浙江大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2605275