авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Линеаризация информативных сигналов в микроаналитических приборах и методы их обработки

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Буляница Антон Леонидович

ЛИНЕАРИЗАЦИЯ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ В МИКРОАНАЛИТИЧЕСКИХ ПРИБОРАХ И МЕТОДЫ ИХ ОБРАБОТКИ

Специальность 01.04.01 «Приборы и методы

экспериментальной физики»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 2008

Работа выполнена в Институте аналитического приборостроения Российской академии наук (ИАП РАН)

Научный консультант

доктор технических наук, профессор

Курочкин Владимир Ефимович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ

Хименко Виталий Иванович

доктор физико-математических наук
Дубровский Владимир Германович

доктор технических наук, профессор
Русинов Леон Абрамович

Ведущая организация: Научно-технический центр уникального приборостроения РАН (НТЦ УП РАН) (117342 Москва, ул. Бутлерова, 15).

Защита состоится “26” сентября 2008 г. в 15:00 часов на заседании Диссертационного совета Д.002.034.01 при Институте аналитического приборостроения Российской академии наук (ИАП РАН) по адресу: 190103, Санкт-Петербург, Рижский пр., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ИАП РАН по тому же адресу.

Автореферат разослан « » июля 2008 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

кандидат физико-математических наук Щербаков А.П.

Актуальность темы

Приборы химического, биологического и иммунного анализа используют различные методы выявления аналитической информации (например, наличие/отсутствие вещества, концентрация компонента смеси и т.д.). Следствием разнообразия приборных и методических решений являются различные формы информативных сигналов и связей их параметров с требуемой аналитической информацией, а также априорная неопределенность случайных составляющих сигналов (т.е. помех). При измерениях по методу конечной точки форма информативного сигнала универсальна – постоянный сигнал (линейный тренд нулевого порядка или ЛТ0) с аддитивной помехой. В то же время, кинетический метод основан на анализе кинетической кривой , где x – величина информативного сигнала, t – время. При этом, собственно функциональная зависимость может быть различна, иметь разное число параметров, подлежащих оценке, каждый из которых может быть по-разному связан с искомой аналитической информацией.

В этом случае представляется перспективным исходную кинетическую кривую для широкого класса приборов преобразовать к единой форме, тем самым обеспечить возможность применения унифицированного метода оценивания параметров преобразованного информативного сигнала и, как следствие, использовать общее программно-математическое обеспечение (ПМО). Последнее способствует сокращению времени и затрат на разработку вычислительных модулей, что прежде всего актуально для относительно недорогих приборов химического и биологического анализа. Возможным решением данной проблемы является преобразование исходного сигнала в определенном временном диапазоне к унифицированной форме линейного тренда первого порядка (ЛТ1): . При этом, а) функции и , в общем случае, нелинейные, должны иметь достаточно простой вид, определяемый типом прибора, б) необходимая информация должна однозначно определяться на основе оценивания величины а – параметра положения преобразованного сигнала.



Реализуемое в последние годы направление миниатюризации приборостроения, в частности, сопровождается появлением исходных инфор­ма­­­­тивных сигналов новой структуры. Например, перевод ряда сепарационных методов химического и биологического анализа (электрофореза, хроматографии и т.п.) на микрочипы привел к изменению формы аналитических пиков от гауссовой к кусочно-линейной (трапециидальной или треугольной, т.е., совокупности ЛТ0 и ЛТ1).

Таким образом, основания для выбора в качестве унифицированного преобразованного сигнала совокупности ЛТ0 и ЛТ1: 1) это естественная форма исходного информативного сигнала ряда микроаналитиче­ских приборов; 2) малое число оцениваемых параметров: либо величина ЛТ0, либо, как правило, только параметр положения a ЛТ1 (b обычно связан с фоновыми измерениями); 3) простота обработки – интерполяция, дифференцирование и т.п.

Не менее значимыми последствиями миниатюризации приборов (их узлов) будет сокращении времени всех стадий анализа и, как следствие, ужесто­чение требований к быстродействию преобразования и обработки сигналов и оценивания их параметров. Еще одним следствием миниатюризации может стать многократное уменьшение анализируемых объемов, что при определенных видах детектирования (напр., амперометрическом или флуори­ме­т­ри­ческом) приведет к многократному уменьшению информативного сигнала (отношения сигнал/шум). Последнее потребует применения помехо­устойчивых (робастных) методов оценивания параметров преобразованных информативных сигналов микроаналитических приборов. Таким образом, помимо разработки процедуры унификации информатив­ных сигналов, не менее актуальна проблема создания методов их обработки, включая экспрессное робастное оценивание их параметров в усло­виях малости отношения сигнал/шум при априорно неопределенной случайной помехе.

Предпосылкой для унификации информативного сигнала к совокупности ЛТ1 может служить методика [1] идентификации 7-ми типов функциональных зависимостей. Этими зависимостями адекватно аппроксимируются информа­тивные аналитические сигналы различных приборов. Тип зависимости иденти­фицируется на основе сравнения средних (арифметическое, геометрическое, гармоническое) входной и выходной величин, а зависимость приводится к линейному тренду с помощью преобразований, представленных в таблице.

Таблица

Функциональные зависимости и метод их преобразования к линейному тренду

Тип Зависимость Y=F(X) Метод перехода к виду Z=A+Bt Алгоритм идентификации типа
1 Y=AX+B Z=Y, t=X
2 Z=ln(Y), t=ln(X)
3 Z=ln(Y), t=X
4 Z=Y, t=1/X
5 Z=1/Y, t=X
6 Z=1/Y, t=1/X
7 Z=Y, t=ln(X)
jpg">

Тем самым, представляется перспективным формирование класса микроаналитических приборов, исходные информативные сигналы которых аппроксимируются кинетическими зависимостями типа 1-7 (см. таблицу 1) и на основе простых процедур унифицируются к форме кусочно-линейного сигнала, по отношению к которому возможно применить общий метод (алгоритм) оценивания или/и обработки. При условии, что применение кинетического метода анализа для широкого класса микроаналитических приборов позволяет трансформировать информативный сигнал к ЛТ1 или ЛТ0, содержащим лишь 1 подлежащий оценке параметр, сама проблема оценивания этого параметра в условиях значимости влияния помех с априорно неопределенным законом распределения (из-за разнообразия приборов), остается весьма актуальной.

Таким образом, решается актуальная проблема – поиск методов унификации формы исходных информативных сигналов для широкого класса микроаналитических приборов, а также методов их обработки и последующего оценивания параметров при условии априорной неопределенности закона распределения помехи.

Цель работы:

Разработка методов преобразования информативных сигналов для широкого класса микроаналитических приборов к унифицированной форме совокупности линейных трендов нулевого (ЛТ0) и первого (ЛТ1) порядков и методов последующего оценивания их параметров, обладающих робастностью и гарантированной эффективностью в условиях априорной неопределенности о законе распределения случайной помехи.

Достижение указанной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Исследовать структуру исходных (предварительных) информативных сигналов микроаналити­ческих приборов, в т.ч. химического, биологического, иммунного анализа.

2. Обосновать форму унифицированного сигнала, как совокупности ЛТ0 и ЛТ1, и рассмотреть методы унификации к указанному виду с помощью простых нелинейных преобразований временной оси и предварительного информа­тивного сигнала. Как следствие, определить класс микроаналитических приборов, допускающих подобную процедуру унификации.

3. Разработать метод оценивания параметров информативных сигналов типа ЛТ0 и ЛТ1, обладающий гарантированной эффективностью, робастностью, несмещенностью и состоятельностью оценок при экономичности и простоте реализации.

4. Исследовать применимость алгоритма стохастической аппроксимации Роббинса-Монро [2] и его модификаций [3-6] в качестве основы метода оценивания параметров унифицированного информативного сигнала.

5. Реализовать в форме программного продукта алгоритм оценивания пара­метров унифицированных информативных сигналов (параметра положении ЛТ1 или/и величины ЛТ0), также включающий выбор начальных установок (величины зоны нечувствительности, масштабного поправочного множителя, начального приближения оценки), и предусматривающий остановку оценивания при наличии разладки в последовательности измерений.

6. Решить ряд задач по предварительной обработке информативных сигналов, включающий: а) правило Новицкого-Зограф [7] для разработки унифи­цированного критерия отбраковки выбросов, б) оптимизация ширины медианного окна для повышения эффективности получения робастных оценок математического ожидания, в) анализ эффективности применения смещенных экстремальных порядковых статистик для оценивания математического ожидания в условиях аддитивной ограниченной помехи, г) цифровая фильтрация ЛТ1, для повышения эффективности оценивания параметров аналитических пиков (временное положение, амплитуда и площадь пика) в условиях малости отношения сигнал/шум.

7. Исследовать структуру информативного сигнала принципиально нового сенсора для биотестирования окружающей среды естественного происхож­дения, с чувствительным элементом – самоорганизующейся колонией несовершенных грибов, продемонстрировав возможность и эффективность преобразования информативных сигналов к форме кусочно-линейного сигнала.

Научная новизна

1.Показан способ унификации информативных сигналов к форме кусочно-линейного сигнала с аддитивной случайной помехой для широкого класса микроаналитических приборов и сформулирован критерий формирования указанного класса – принадлежность исходного информативного сигнала к одному из 7-ми типов (см. таблицу 1).

2. Предложен универсальный метод оценивания параметра положения ЛТ1 – переход к разностному сигналу и робастная модификация алгоритма стохастической аппроксимации для оценивания величины ЛТ0, имеющий преимущество над алгоритмами непосредственного отслеживания ЛТ1.

3. Подтверждены основополагающие свойства оценки предложенного алгоритма – несмещенность, состоятельность и квази-эффективность, понимаемая как решение минимаксной задачи (наименьшая дисперсия при наихудшем законе распределения помехи). Предложены новые методы доказательства несмещенности оценки: на основе модифицированного апостериорного критерия Аоки и с помощью интерпретации алгоритма нелинейной дискретной САУ, и анализа ее устойчивости.





4. Впервые выявлен единственный класс аддитивных помех (Симпсоновская помеха), для которого дисперсия оценки величины ЛТ0 при применении алгоритма Фабиана-Цыпкина не зависит от величины выбранной зоны нечувствительности.

5. Сформулированы требования к построению линейных калибровочных функций на основе концепции Хьюбера об исключении точек риска.

6. Проанализирован информативный сигнал прибора серии АНК, реализу­ющего ПЦР в реальном масштабе времени в форме кривой логистического роста, доказана адекватность подобной формы кинетической кривой и показан метод сведения информативного сигнала к форме ЛТ1 с последующим оцениванием коэффициента увеличения биомассы пробы за 1 цикл.

7. Предложена концепция нового чувствительного элемента биосенсора на основе самоорганизующейся колонии несовершенных грибов. Показано, что его информативные сигналы определяются параметрами среды (концентрации субстрата и метаболитов, характеристики диффузии, температура и т.д.) и адекватно аппроксимируются совокупностью ЛТ0 и ЛТ1.

8. Исследована эффективность алгоритмов первичной обработки информа­тивных сигналов, использующих медианные порядковые статистики. Впервые решена задача оптимизации ширины медианного окна на основе минимизации показателей качества – финальной ошибки прогнозирования (ФОП) или/и информационного критерия Акаике (ИКА).

9. Впервые доказано, что применение смещенных экстремальных порядковых статистик для оценивания доверительного интервала математического ожидания ограниченной случайной величины, как один из этапов метода ПИО – простого интервального оценивания, имеет фундаментальное нетривиальное ограничение на использование – требование невырожденности на границе диапазона.

Практическая ценность работы.

1. Исследованы области применимости универсальных алгоритмов первичной обработки измерений: а) правило Новицкого-Зограф отбраковки выбросов,
б) применение L-оценок на основе медианных порядковых статистик (выбор оптимального медианного окна); в) предложены новые алгоритмы оценивания площади электрофоретического пика при малости отношения сигнал/шум.

2.Модификация информативного сигнала к совокупности ЛТ1 позволяет унифицировать его обработку и базовое ПМО для широкого класса микроаналитических приборов

3. В качестве универсального алгоритма обработки сигналов типа ЛТ1 с оцениванием его параметра положения при аддитивной случайной помехе с априорно неизвестным законом распределения предложена комбинация перехода к первой разности с симметризацией помехи, и применение рекурсивного алгоритма стохастической аппроксимации. Алгоритм реализован в виде программного продукта.

4. Указанный алгоритм сигналов использован в базовом ПМО разработанных в Институте аналитического приборостроения РАН приборах: а) хемосенсорных анализаторах рН, ионов тяжелых металлов и редкоземельных элементов в водных средах (фотометры серий SEN и mSEN), б) прибора для фотоплетизмо­графического определения степени кислородного насыщения артериальной крови (CADIX OXI), в) приборах для определения числа и последовательности нуклеиновых кислот серий АНК 16 и АНК 32, г) микрофлюидных электрофоретических устройствах для анализа биологических проб.

5. Сформулированы требования построения линейных калибровочных функ­ций, базирующиеся на необходимости исключения точек риска по Хьюберу.

Положения, выносимые на защиту.

1. Применимость кусочно-линейного сигнала с аддитивной случайной помехой в качестве унифицированного информативного сигнала прибора (принцип объединения приборов по принадлежности исходного сигнала к 7-ми типам и методы их трансформации к унифицированному виду).

2. Метод оценивания параметров кусочно-линейных сигналов (совокупности ЛТ1) при аддитивной помехе с априорно неизвестным законом распределения, и реализация соответствующего метода в форме программного продукта.

3. Доказательства несмещенности оценок методами: а) анализ устойчивости соответствующей нелинейной САУ (по критерию типа Попова),
б) модифицированный статистический апостериорный анализ Аоки.

4. Доказательство существования единственного класса невырожденных аддитивных помех (треугольная Симпсоновская помеха), при наличии которых дисперсия ошибки оценивания ЛТ0 при применении алгоритма Цыпкина не зависит от величины зоны нечувствительности.

5. Критерий оптимизации выбора ширины медианного окна, что позволяет повысить эффективность первичной обработки информативных сигналов при сохранении робастности.

6. Модель отклика принципиально нового чувствительного элемента биосенсора – самоорганизующейся колонии несовершенных грибов и ее свойства: а) механизм самоорганизации и его управляющие параметры,
б) стратегии развития колонии, в) способы формализации особенностей развития, г) интерпретация смен стратегий развития с позиций фазовых переходов 1-го и 2-го рода, д) представление информативных сигналов в форме совокупности ЛТ0 и ЛТ1.

7. Принцип построения линейных калибровочных функций, базирующийся на концепции Хьюбера об исключении точек риска.

Апробация результатов работы



Pages:   |
1
| 2 | 3 | 4 | 5 |
 
Авторефераты диссертаций  >>  Авторефераты по Физике

Похожие работы:








наверх


 
<<  ГЛАВНАЯ   |   КОНТАКТЫ
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.