Refinement of Raman spectra from extreme background and noise interferences: Cancer diagnostics using Raman spectroscopy

Autor: Gebrekidan, Medhanie Tesfay
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
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Druh dokumentu: Text<br />Doctoral Thesis
Popis: Die Raman-Spektroskopie ist eine optische Messtechnik, die in der Lage ist, spektroskopische Information zu liefern, welche molekülspezifisch und einzigartig in Bezug auf die Eigenschaften der untersuchten Spezies sind. Sie ist ein unverzichtbares analytisches Instrument, das Anwendung in verschiedenen Bereichen findet, wie etwa der Medizin oder der in situ Beobachtung von chemischen Prozessen. Wegen ihren Eigenschaften, wie der hohen Spezifität und der Möglichkeit von Tracer-freien Messung, hat die Raman-Spektroskopie die Tumordiagnostik stark beeinflusst. Aufgrund einer äußerst starken Beeinflussung der Raman-Spektren durch Hintergrundsignale, ist das Isolieren und Interpretieren von Raman-Spektren eine große Herausforderung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze der Spektrenbearbeitung entwickelt, die benötigt werden um Raman-Spektren aus verrauschten und stark mit Hintergrundsignalen behafteten Rohspektren zu extrahieren. Diese Ansätze beinhalten im Speziellen eine auf dem Vector-Casting basierende Methode zur Rauschminimierung und eine auf dem deep neural networks basierende Methoden zur Entfernung von Rauschen und Hintergrundsignalen. Verschiedene neuronale Netze wurden mittels simulierter Spektren trainiert und an experimentell gemessenen Spektren evaluiert. Die im Rahmen dieser Arbeit vorgeschlagenen Ansätze wurden mit alternativen Methoden auf dem aktuellen Stand der Entwicklung unter Zuhilfenahme von verschiedenen Signal-Rausch-Verhältnissen, Standardabweichungen und dem Structural Similarity Index verglichen. Die hier entwickelten Ansätze zeigen gute Ergebnisse und sind bisher bekannten Methoden überlegen, vor allem für Raman-Spektren mit einem niedrigem Signal-Rausch-Verhältnis und extrem starken Fluoreszenz-Hintergrund. Zusätzlich erfordern die auf Deep Neural Networks basierten Methoden keinerlei menschliches Eingreifen. Die Motivation hinter dieser Arbeit ist die Verbesserung der Raman-Spektroskopie, vor allem der Shifted-Excitation Raman Difference Spectroscopy (SERDS) hin zu einem noch besseren Instrument in der Prozessanalytik und Tumordiagnostik. Die Integration der oben genannten Ansätze zur Spektrenbearbeitung von SERDS in Kombination mit Methoden des maschinellen Lernens ermöglichen es, physiologische Schleimhaut, nicht-maligne Läsionen und orale Plattenepithelkarzinome mit einer Genauigkeit zu unterscheiden, die bisherigen Methoden überlegen ist. Die spezifischen Merkmale in den bearbeiteten Raman-Spektren können verschiedenen chemischen Zusammensetzungen in den jeweiligen Geweben zugeordnet werden. Die Übertragbarkeit auf einen ähnlichen Ansatz zur Erkennung von Brusttumoren wurde überprüft. Die bereinigten Raman-Spektren von normalem Brustgewebe, Fibroadenoma und invasiven Mammakarzinom konnten mithilfe der spektralen Eigenschaften von Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren unterschieden werden. Diese Erkenntnisse lassen das Potential von SERDS in Kombination mit Ansätzen des maschinellen Lernens als universelles Werkzeug zur Tumordiagnose erkennen.:Versicherung Abstract Zusammenfassung der Ergebnisse der Dissertation Table of Contents Abbreviations and symbols 1 Introduction 2 State of the art of the purification of Raman spectra 2.1 Experimental methods for the enhancement of the signal-to-background ratio and the signal-to-noise ratio 2.2 Mathematical methods for the extraction of pure Raman spectra from raw spectra 2.3 Raman based cancer diagnostics 2.4 Neural networks for the evaluation of Raman spectra 2.5 Objective 3 Application relevant fundaments 3.1 Basics of Raman spectroscopy 3.2 Simulation of raw Raman spectra 3.3 Shifted-excitation Raman difference Spectroscopy 3.4 Raman experimental setup 3.5 Mathematical method for Raman spectra refinement 3.6 Deep neural networks 4 Summary of the published results 4.1 A shifted-excitation Raman difference spectroscopy evaluation strategy for the efficient isolation of Raman spectra from extreme fluorescence interference 4.2 Vector casting for noise reduction 4.3 Refinement of spectra using a deep neural network; fully automated removal of noise and background 4.4 Breast Tumor Analysis using Shifted Excitation Raman difference Spectroscopy 4.5 Optical diagnosis of clinically apparent lesions of oral cavity by label free Raman spectroscopy Conclusion
Raman spectroscopy is an optical measurement technique able to provide spectroscopic information that is molecule-specific and unique to the nature of the specimen under investigation. It is an invaluable analytical tool that finds application in several fields such as medicine and in situ chemical processing. Due to its high specificity and label-free features, Raman spectroscopy greatly impacted cancer diagnostics. However, retrieving and interpreting the Raman spectrum that contains the molecular information is challenging because of extreme background interference. I have developed various spectra-processing approaches required to purify Raman spectra from noisy and heavily background interfered raw Raman spectra. In detail, these are a new noise reduction method based on vector casting and new deep neural networks for the efficient removal of noise and background. Several neural network models were trained on simulated spectra and then tested with experimental spectra. The here proposed approaches were compared with the state-of-the-art techniques via different signal-to-noise ratios, standard deviation, and the structural similarity index metric. The methods presented here perform well and are superior in comparison to what has been reported before, especially at small signal-to-noise ratios, and for extreme fluorescence interfered raw Raman spectra. Furthermore, the deep neural network-based methods do not rely on any human intervention. The motivation behind this study is to make Raman spectroscopy, especially the shifted-excitation Raman difference spectroscopy (SERDS), an even better tool for process analytics and cancer diagnostics. The integration of the above-mentioned spectra-processing approaches into SERDS in combination with machine learning tools enabled the differentiation between physiological mucosa, non-malignant lesions, and oral squamous cell carcinomas with high accuracy, above the state of the art. The distinguishable features obtained in the purified Raman spectra are assignable to different chemical compositions of the respective tissues. The feasibility of a similar approach for breast tumors was also investigated. The purified Raman spectra of normal breast tissue, fibroadenoma, and invasive carcinoma were discriminable with respect to the spectral features of proteins, lipids, and nucleic acid. These findings suggest the potential of SERDS combined with machine learning techniques as a universal tool for cancer diagnostics.:Versicherung Abstract Zusammenfassung der Ergebnisse der Dissertation Table of Contents Abbreviations and symbols 1 Introduction 2 State of the art of the purification of Raman spectra 2.1 Experimental methods for the enhancement of the signal-to-background ratio and the signal-to-noise ratio 2.2 Mathematical methods for the extraction of pure Raman spectra from raw spectra 2.3 Raman based cancer diagnostics 2.4 Neural networks for the evaluation of Raman spectra 2.5 Objective 3 Application relevant fundaments 3.1 Basics of Raman spectroscopy 3.2 Simulation of raw Raman spectra 3.3 Shifted-excitation Raman difference Spectroscopy 3.4 Raman experimental setup 3.5 Mathematical method for Raman spectra refinement 3.6 Deep neural networks 4 Summary of the published results 4.1 A shifted-excitation Raman difference spectroscopy evaluation strategy for the efficient isolation of Raman spectra from extreme fluorescence interference 4.2 Vector casting for noise reduction 4.3 Refinement of spectra using a deep neural network; fully automated removal of noise and background 4.4 Breast Tumor Analysis using Shifted Excitation Raman difference Spectroscopy 4.5 Optical diagnosis of clinically apparent lesions of oral cavity by label free Raman spectroscopy Conclusion
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