352 research outputs found

    Impulsive noise cancellation of acoustic emission signal based on iterative mathematical morphology filter

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    This paper aims to propose an iterative mathematical morphology (IMM) filter methodology to de-noise the acoustic emission (AE) signal with impulsive noise. To develop the principle of IMM filter, a simulation signal is used to be de-noised by the conventional MM filter. Moreover, a novel approach is introduced to eliminate the end effect of MM filter by connecting the initial point with the end point of the time series. Therefore, the IMM filter can be realized based on the operations of MM filter and the elimination method of end effect. The noise elimination of a simulation signal indicates that the IMM filter can remove the impulsive noise more effectively than the MM filter and maintain useful information as much as possible. Two AE signals acquired from rock compression experiment, which are polluted by electromagnetic impulsive noise, are de-noised by the IMM filter, the conventional digital filter and the wavelet filter respectively. Compared with the other two methods, the IMM filter can preserve the essential information contained in AE signal better, especially the arrival time. These two experiments manifest the effectiveness of the IMM filter in de-noising issues of AE signals polluted by impulsive noise

    New methods for automated NMD data analysis and protein structure determination

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    Die Ermittlung von Proteinstukturen mittels NMR-Spektroskopie ist ein komplexer Prozess, wobei die Resonanzfrequenzen und die Signalintensitäten den Atomen des Proteins zugeordnet werden. Zur Bestimmung der räumlichen Proteinstruktur sind folgende Schritte erforderlich: die Präparation der Probe und 15N/13C Isotopenanreicherung, Durchführung der NMR Experimente, Prozessierung der Spektren, Bestimmung der Signalresonanzen ('Peak-picking'), Zuordnung der chemischen Verschiebungen, Zuordnung der NOESY-Spektren und das Sammeln von konformationellen Strukturparametern, Strukturrechnung und Strukturverfeinerung. Aktuelle Methoden zur automatischen Strukturrechnung nutzen eine Reihe von Computeralgorithmen, welche Zuordnungen der NOESY-Spektren und die Strukturrechnung durch einen iterativen Prozess verbinden. Obwohl neue Arten von Strukturparametern wie dipolare Kopplungen, Orientierungsinformationen aus kreuzkorrelierten Relaxationsraten oder Strukturinformationen, die sich in Gegenwart paramagnetischer Zentren in Proteinen ergeben, wichtige Neuerungen für die Proteinstrukturrechnung darstellen, sind die Abstandsinformationen aus NOESY-Spektren weiterhin die wichtigste Basis für die NMR-Strukturbestimmung. Der hohe zeitliche Aufwand des 'peak-picking' in NOESY-Spektren ist hauptsächlich bedingt durch spektrale Überlagerung, Rauschsignale und Artefakte in NOESY-Spektren. Daher werden für das effizientere automatische 'Peak-picking' zuverlässige Filter benötigt, um die relevanten Signale auszuwählen. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Algorithmus für die automatische Proteinstrukturrechnung beschrieben, der automatisches 'Peak-picking' von NOESY-Spektren beinhaltet, die mit Hilfe von Wavelets entrauscht wurden. Der kritische Punkt dieses Algorithmus ist die Erzeugung inkrementeller Peaklisten aus NOESY-Spektren, die mit verschiedenen auf Wavelets basierenden Entrauschungsprozeduren prozessiert wurden. Mit Hilfe entrauschter NOESY-Spektren erhält man Signallisten mit verschiedenen Konfidenzbereichen, die in unterschiedlichen Schritten der kombinierten NOE-Zuordnung/Strukturrechnung eingesetzt werden. Das erste Strukturmodell beruht auf stark entrauschten Spektren, die die konservativste Signalliste mit als weitgehend sicher anzunehmenden Signalen ergeben. In späteren Stadien werden Signallisten aus weniger stark entrauschten Spektren mit einer größeren Anzahl von Signalen verwendet. Die Auswirkung der verschiedenen Entrauschungsprozeduren auf Vollständigkeit und Richtigkeit der NOESY Peaklisten wurde im Detail untersucht. Durch die Kombination von Wavelet-Entrauschung mit einem neuen Algorithmus zur Integration der Signale in Verbindung mit zusätzlichen Filtern, die die Konsistenz der Peakliste prüfen ('Network-anchoring' der Spinsysteme und Symmetrisierung der Peakliste), wird eine schnelle Konvergenz der automatischen Strukturrechnung erreicht. Der neue Algorithmus wurde in ARIA integriert, einem weit verbreiteten Computerprogramm für die automatische NOE-Zuordnung und Strukturrechnung. Der Algorithmus wurde an der Monomereinheit der Polysulfid-Schwefel-Transferase (Sud) aus Wolinella succinogenes verifiziert, deren hochaufgelöste Lösungsstruktur vorher auf konventionelle Weise bestimmt wurde. Neben der Möglichkeit zur Bestimmung von Proteinlösungsstrukturen bietet sich die NMR-Spektroskopie auch als wirkungsvolles Werkzeug zur Untersuchung von Protein-Ligand- und Protein-Protein-Wechselwirkungen an. Sowohl NMR Spektren von isotopenmarkierten Proteinen, als auch die Spektren von Liganden können für das 'Screening' nach Inhibitoren benutzt werden. Im ersten Fall wird die Sensitivität der 1H- und 15N-chemischen Verschiebungen des Proteinrückgrats auf kleine geometrische oder elektrostatische Veränderungen bei der Ligandbindung als Indikator benutzt. Als 'Screening'-Verfahren, bei denen Ligandensignale beobachtet werden, stehen verschiedene Methoden zur Verfügung: Transfer-NOEs, Sättigungstransferdifferenzexperimente (STD, 'saturation transfer difference'), ePHOGSY, diffusionseditierte und NOE-basierende Methoden. Die meisten dieser Techniken können zum rationalen Design von inhibitorischen Verbindungen verwendet werden. Für die Evaluierung von Untersuchungen mit einer großen Anzahl von Inhibitoren werden effiziente Verfahren zur Mustererkennung wie etwa die PCA ('Principal Component Analysis') verwendet. Sie eignet sich zur Visualisierung von Ähnlichkeiten bzw. Unterschieden von Spektren, die mit verschiedenen Inhibitoren aufgenommen wurden. Die experimentellen Daten werden zuvor mit einer Serie von Filtern bearbeitet, die u.a. Artefakte reduzieren, die auf nur kleinen Änderungen der chemischen Verschiebungen beruhen. Der am weitesten verbreitete Filter ist das sogenannte 'bucketing', bei welchem benachbarte Punkte zu einen 'bucket' aufsummiert werden. Um typische Nachteile der 'bucketing'-Prozedur zu vermeiden, wurde in der vorliegenden Arbeit der Effekt der Wavelet-Entrauschung zur Vorbereitung der NMR-Daten für PCA am Beispiel vorhandener Serien von HSQC-Spektren von Proteinen mit verschiedenen Liganden untersucht. Die Kombination von Wavelet-Entrauschung und PCA ist am effizientesten, wenn PCA direkt auf die Wavelet-Koeffizienten angewandt wird. Durch die Abgrenzung ('thresholding') der Wavelet-Koeffizienten in einer Multiskalenanalyse wird eine komprimierte Darstellung der Daten erreicht, welche Rauschartefakte minimiert. Die Kompression ist anders als beim 'bucketing' keine 'blinde' Kompression, sondern an die Eigenschaften der Daten angepasst. Der neue Algorithmus kombiniert die Vorteile einer Datenrepresentation im Wavelet-Raum mit einer Datenvisualisierung durch PCA. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass PCA im Wavelet- Raum ein optimiertes 'clustering' erlaubt und dabei typische Artefakte eliminiert werden. Darüberhinaus beschreibt die vorliegende Arbeit eine de novo Strukturbestimmung der periplasmatischen Polysulfid-Schwefel-Transferase (Sud) aus dem anaeroben gram-negativen Bakterium Wolinella succinogenes. Das Sud-Protein ist ein polysulfidbindendes und transferierendes Enzym, das bei niedriger Polysulfidkonzentration eine schnelle Polysulfid-Schwefel-Reduktion katalysiert. Sud ist ein 30 kDa schweres Homodimer, welches keine prosthetischen Gruppen oder schwere Metallionen enthält. Jedes Monomer enhält ein Cystein, welches kovalent bis zu zehn Polysulfid-Schwefel (Sn 2-) Ionen bindet. Es wird vermutet, dass Sud die Polysulfidkette auf ein katalytischen Molybdän-Ion transferiert, welches sich im aktiven Zentrum des membranständigen Enzyms Polysulfid-Reduktase (Psr) auf dessen dem Periplasma zugewandten Seite befindet. Dabei wird eine reduktive Spaltung der Kette katalysiert. Die Lösungsstruktur des Homodimeres Sud wurde mit Hilfe heteronuklearer, mehrdimensionaler NMR-Techniken bestimmt. Die Struktur beruht auf von NOESY-Spektren abgeleiteten Distanzbeschränkungen, Rückgratwasserstoffbindungen und Torsionswinkeln, sowie auf residuellen dipolaren Kopplungen, die für die Verfeinerung der Struktur und für die relative Orientierung der Monomereinheiten wichtig waren. In den NMR Spektren der Homodimere haben alle symmetrieverwandte Kerne äquivalente magnetische Umgebungen, weshalb ihre chemischen Verschiebungen entartet sind. Die symmetrische Entartung vereinfacht das Problem der Resonanzzuordnung, da nur die Hälfte der Kerne zugeordnet werden müssen. Die NOESY-Zuordnung und die Strukturrechnung werden dadurch erschwert, dass es nicht möglich ist, zwischen den Intra-Monomer-, Inter-Monomer- und Co-Monomer- (gemischten) NOESY-Signalen zu unterscheiden. Um das Problem der Symmetrie-Entartung der NOESY-Daten zu lösen, stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung: (I) asymmetrische Markierungs-Experimente, um die intra- von den intermolekularen NOESY-Signalen zu unterscheiden, (II) spezielle Methoden der Strukturrechnung, die mit mehrdeutigen Distanzbeschränkungen arbeiten können. Die in dieser Arbeit vorgestellte Struktur wurde mit Hilfe der Symmetrie-ADR- ('Ambigous Distance Restraints') Methode in Kombination mit Daten von asymetrisch isotopenmarkierten Dimeren berechnet. Die Koordinaten des Sud-Dimers zusammen mit den NMR-basierten Strukturdaten wur- den in der RCSB-Proteindatenbank unter der PDB-Nummer 1QXN abgelegt. Das Sud-Protein zeigt nur wenig Homologie zur Primärsequenz anderer Proteine mit ähnlicher Funktion und bekannter dreidimensionaler Struktur. Bekannte Proteine sind die Schwefeltransferase oder das Rhodanese-Enzym, welche beide den Transfer von einem Schwefelatom eines passenden Donors auf den nukleophilen Akzeptor (z.B von Thiosulfat auf Cyanid) katalysieren. Die dreidimensionalen Strukturen dieser Proteine zeigen eine typische a=b Topologie und haben eine ähnliche Umgebung im aktiven Zentrum bezüglich der Konformation des Proteinrückgrades. Die Schleife im aktiven Zentrum umgibt das katalytische Cystein, welches in allen Rhodanese-Enzymen vorhanden ist, und scheint im Sud-Protein flexibel zu sein (fehlende Resonanzzuordnung der Aminosäuren 89-94). Das Polysulfidende ragt aus einer positiv geladenen Bindungstasche heraus (Reste: R46, R67, K90, R94), wo Sud wahrscheinlich in Kontakt mit der Polysulfidreduktase tritt. Das strukturelle Ergebnis wurde durch Mutageneseexperimente bestätigt. In diesen Experimenten konnte gezeigt werden, dass alle Aminosäurereste im aktiven Zentrum essentiell für die Schwefeltransferase-Aktivität des Sud-Proteins sind. Die Substratbindung wurde früher durch den Vergleich von [15N,1H]-TROSY-HSQC-Spektren des Sud-Proteins in An- und Abwesenheit des Polysulfidliganden untersucht. Bei der Substratbindung scheint sich die lokale Geometrie der Polysulfidbindungsstelle und der Dimerschnittstelle zu verändern. Die konformationellen Änderungen und die langsame Dynamik, hervorgerufen durch die Ligandbindung können die weitere Polysulfid-Schwefel-Aktivität auslösen. Ein zweites Polysulfid-Schwefeltransferaseprotein (Str, 40 kDa) mit einer fünffach höheren nativen Konzentration im Vergleich zu Sud wurde im Bakterienperiplasma von Wolinella succinogenes entdeckt. Es wird angenommen, dass beide Protein einen Polysulfid-Schwefel-Komplex bilden, wobei Str wässriges Polysulfid sammelt und an Sud abgibt, welches den Schwefeltransfer zum katalytischen Molybdän-Ion auf das aktive Zentrum der dem Periplasma zugewandten Seite der Polysulfidreduktase durchführt. Änderungen chemischer Verschiebungen in [15N,1H]-TROSY-HSQC-Spektren zeigen, dass ein Polysulfid-Schwefeltransfer zwischen Str und Sud stattfindet. Eine mögliche Protein-Protein-Wechselwirkungsfläche konnte bestimmt werden. In der Abwesenheit des Polysulfidsubstrates wurden keine Wechselwirkungen zwischen Sud und Str beobachtet, was die Vermutung bestätigt, dass beide Proteine nur dann miteinander wechselwirken und den Polysulfid-Schwefeltransfer ermöglichen, wenn als treibende Kraft Polysulfid präsent ist

    Speech enhancement by perceptual adaptive wavelet de-noising

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    This thesis work summarizes and compares the existing wavelet de-noising methods. Most popular methods of wavelet transform, adaptive thresholding, and musical noise suppression have been analyzed theoretically and evaluated through Matlab simulation. Based on the above work, a new speech enhancement system using adaptive wavelet de-noising is proposed. Each step of the standard wavelet thresholding is improved by optimized adaptive algorithms. The Quantile based adaptive noise estimate and the posteriori SNR based threshold adjuster are compensatory to each other. The combination of them integrates the advantages of these two approaches and balances the effects of noise removal and speech preservation. In order to improve the final perceptual quality, an innovative musical noise analysis and smoothing algorithm and a Teager Energy Operator based silent segment smoothing module are also introduced into the system. The experimental results have demonstrated the capability of the proposed system in both stationary and non-stationary noise environments

    Mitigating wind induced noise in outdoor microphone signals using a singular spectral subspace method

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    Wind induced noise is one of the major concerns of outdoor acoustic signal acquisition. It affects many field measurement and audio recording scenarios. Filtering such noise is known to be difficult due to its broadband and time varying nature. In this paper, a new method to mitigate wind induced noise in microphone signals is developed. Instead of applying filtering techniques, wind induced noise is statistically separated from wanted signals in a singular spectral subspace. The paper is presented in the context of handling microphone signals acquired outdoor for acoustic sensing and environmental noise monitoring or soundscapes sampling. The method includes two complementary stages, namely decomposition and reconstruction. The first stage decomposes mixed signals in eigen-subspaces, selects and groups the principal components according to their contributions to wind noise and wanted signals in the singular spectrum domain. The second stage reconstructs the signals in the time domain, resulting in the separation of wind noise and wanted signals. Results show that microphone wind noise is separable in the singular spectrum domain evidenced by the weighted correlation. The new method might be generalized to other outdoor sound acquisition applications. Keywords: microphone; wind noise; matrix decomposition and reconstruction; separability; weighted correlation; acoustic sensing; acoustic signals; environmental noise; monitorin

    Lab-in-a-Tube: A portable imaging spectrophotometer for cost-effective, high-throughput, and label-free analysis of centrifugation processes

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    Centrifuges serve as essential instruments in modern experimental sciences, facilitating a wide range of routine sample processing tasks that necessitate material sedimentation. However, the study for real time observation of the dynamical process during centrifugation has remained elusive. In this study, we developed an innovative Lab_in_a_Tube imaging spectrophotometer that incorporates capabilities of real time image analysis and programmable interruption. This portable LIAT device costs less than 30 US dollars. Based on our knowledge, it is the first Wi Fi camera built_in in common lab centrifuges with active closed_loop control. We tested our LIAT imaging spectrophotometer with solute solvent interaction investigation obtained from lab centrifuges with quantitative data plotting in a real time manner. Single re circulating flow was real time observed, forming the ring shaped pattern during centrifugation. To the best of our knowledge, this is the very first observation of similar phenomena. We developed theoretical simulations for the single particle in a rotating reference frame, which correlated well with experimental results. We also demonstrated the first demonstration to visualize the blood sedimentation process in clinical lab centrifuges. This remarkable cost effectiveness opens up exciting opportunities for centrifugation microbiology research and paves the way for the creation of a network of computational imaging spectrometers at an affordable price for large scale and continuous monitoring of centrifugal processes in general.Comment: 21 Pages, 6 Figure

    Simultaneous Eulerian-Lagrangian velocity measurements of particulate pipe flow in transitional regime

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    We present a unique pipe flow rig capable where simultaneous particle tracking and flow velocity measurements in a dilute, neutrally buoyant particulate pipe flow in regimes of transition to turbulence. The flow consists of solid glass spheres for the disperse phase, and a density-matching fluid for the carrier phase. The measurements are conducted using a bespoke, combined 2D PIV/ PTV technique. The technique takes advantage of a phase discrimination approach that involves separating the disperse and carrier phases based on their respective image characteristics. Our results show that the rig and the technique it implements can be employed to study transitional particulate pipe flows at dilute concentration.Comment: 12 pages, 15 figure

    Histopathological image analysis : a review

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    Over the past decade, dramatic increases in computational power and improvement in image analysis algorithms have allowed the development of powerful computer-assisted analytical approaches to radiological data. With the recent advent of whole slide digital scanners, tissue histopathology slides can now be digitized and stored in digital image form. Consequently, digitized tissue histopathology has now become amenable to the application of computerized image analysis and machine learning techniques. Analogous to the role of computer-assisted diagnosis (CAD) algorithms in medical imaging to complement the opinion of a radiologist, CAD algorithms have begun to be developed for disease detection, diagnosis, and prognosis prediction to complement the opinion of the pathologist. In this paper, we review the recent state of the art CAD technology for digitized histopathology. This paper also briefly describes the development and application of novel image analysis technology for a few specific histopathology related problems being pursued in the United States and Europe
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