圖1.RSCDM方法鑒定病原菌拉曼光譜的示意圖

拉曼光譜在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、微生物識(shí)別和材料分析等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力。拉曼光譜因具有無(wú)標(biāo)記、非破壞和分子指紋識(shí)別等優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、微生物識(shí)別和材料分析等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，受儀器硬件差異、實(shí)驗(yàn)批次波動(dòng)及樣本生物多樣性等因素影響，不同來(lái)源拉曼光譜數(shù)據(jù)之間往往存在峰位、強(qiáng)度分布及背景形態(tài)等差異。即便經(jīng)過(guò)常規(guī)校準(zhǔn)和預(yù)處理，這種光譜差異仍會(huì)顯著削弱分析模型在真實(shí)場(chǎng)景中的穩(wěn)定性和泛化能力，成為制約拉曼光譜智能分析走向臨床和工程應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。

近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所提出了一種面向拉曼光譜跨域遷移的拉曼光譜分類差異模型(RSCDM)。該方法基于無(wú)監(jiān)督領(lǐng)域自適應(yīng)思想，構(gòu)建了“特征提取器+雙分類器”協(xié)同框架，通過(guò)主動(dòng)放大并逐步縮小兩個(gè)分類器對(duì)目標(biāo)域樣本的預(yù)測(cè)差異，動(dòng)態(tài)識(shí)別偏離源域分布的樣本，并引導(dǎo)模型完成面向任務(wù)決策邊界的特征對(duì)齊，從而有效緩解跨批次、跨樣本和跨儀器引起的光譜差異問(wèn)題。在基于拉曼光譜的病原菌種鑒定任務(wù)中，顯著提升了模型在復(fù)雜多菌種分類場(chǎng)景下的識(shí)別穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和泛化能力。

研究表明，RSCDM從方法學(xué)層面為這一問(wèn)題提供了有效解決方案，也說(shuō)明在面對(duì)多平臺(tái)、多批次、多中心數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)引入面向任務(wù)判別邊界的域適應(yīng)機(jī)制，可以顯著增強(qiáng)模型對(duì)復(fù)雜真實(shí)數(shù)據(jù)的適應(yīng)能力。該思路未來(lái)還有望拓展到臨床檢驗(yàn)、腫瘤診斷、細(xì)胞表型識(shí)別、藥物響應(yīng)評(píng)估及多中心數(shù)據(jù)庫(kù)融合等更廣泛的拉曼智能分析場(chǎng)景。

圖2.RSCDM進(jìn)行病原菌鑒定的工作流程圖

圖3.拉曼光譜分類差異模型(RSCDM)在兩種儀器采集病原菌拉曼光譜數(shù)據(jù)上的分類性能

在應(yīng)用示范中，研究團(tuán)隊(duì)將該方法用于單細(xì)胞拉曼光譜病原菌識(shí)別。結(jié)果顯示，在高菌負(fù)荷條件下，每條光譜采集時(shí)間約為6秒，模型對(duì)單條光譜推理時(shí)間約為0.001秒。這意味著，相關(guān)檢測(cè)流程有望從傳統(tǒng)培養(yǎng)鑒定所需的“天級(jí)”時(shí)間縮短至“分鐘—小時(shí)級(jí)”，為拉曼光譜快速檢測(cè)技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化提供了有力支撐。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Analytical Chemistry上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

審核編輯 黃宇