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Cascaded Deep Convolutional Neural Networks as Improved Methods of Preprocessing Raman Spectroscopy Data

拉曼光谱 预处理器 人工智能 卷积神经网络 模式识别(心理学) 深度学习 表面增强拉曼光谱 化学 主成分分析 数据预处理 计算机科学 光谱学 生物系统 拉曼散射 光学 物理 量子力学 生物
作者
Mohammadrahim Kazemzadeh,Miguel Martínez-Calderón,Wei Xu,Lawrence W. Chamley,Colin L. Hisey,Neil G. R. Broderick
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:94 (37): 12907-12918 被引量:44
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.2c03082
摘要

Machine learning has had a significant impact on the value of spectroscopic characterization tools, particularly in biomedical applications, due to its ability to detect latent patterns within complex spectral data. However, it often requires extensive data preprocessing, including baseline correction and denoising, which can lead to an unintentional bias during classification. To address this, we developed two deep learning methods capable of fully preprocessing raw Raman spectroscopy data without any human input. First, cascaded deep convolutional neural networks (CNN) based on either ResNet or U-Net architectures were trained on randomly generated spectra with augmented defects. Then, they were tested using simulated Raman spectra, surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) imaging of chemical species, low resolution Raman spectra of human bladder cancer tissue, and finally, classification of SERS spectra from human placental extracellular vesicles (EVs). Both approaches resulted in faster training and complete spectral preprocessing in a single step, with more speed, defect tolerance, and classification accuracy compared to conventional methods. These findings indicate that cascaded CNN preprocessing is ideal for biomedical Raman spectroscopy applications in which large numbers of heterogeneous spectra with diverse defects need to be automatically, rapidly, and reproducibly preprocessed.
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