基于压缩感知的多通道纳米孔DNA测序检测方案方法及系统

本发明涉及生物微电子，尤其涉及一种基于压缩感知的多通道纳米孔dna测序检测方法及系统。

背景技术：

1、自牛津纳米孔技术公司(ont)于2014年推出首台纳米孔测序仪minion以来，纳米孔测序技术及其在基础和应用研究中的应用取得了显著的发展。

2、这项技术依赖于纳米级蛋白质孔或“纳米孔”，该孔用作生物传感器并嵌入电阻聚合物膜中。在电解溶液中，通过在孔两端施加恒定电压以产生通过纳米孔的离子电流，当单链dna通过纳米孔时，由于构成dna分子的含氮碱基有四种(腺嘌呤(a)、胞嘧啶(c)、鸟嘌呤(g)和胸腺嘧啶(t))，可影响流过纳米孔的离子电流，当不同碱基通过时，产生的特征电流不同，通过集成电路对特征电流信号进行检测读出，并将其量化为数字即可实现对dna碱基序列的测定。基于纳米孔的dna测序技术，其核心可归结于对微弱信号的传感与量化过程，与已经发展相对成熟的图像传感器研究有较高的相似性。目前在dna测序技术中的量化过程，一般都采用图像传感器的传统电压域数据处理与量化方法。

3、现有的多通道数据采样量化方案中，时分复用、频分复用方法通过对单一量化通路的复用，在一定程度上降低了量化电路占用的芯片面积，但由于传统量化电路是基于香农-奈奎斯特采样定理进行工作的，这种复用实际上是将多个通道adc的工作线性叠加在一个adc上，待处理的数据总量并没有改变，使得adc采样速率和功耗方面的设计指标随着通道数量的增加变得愈发严苛，实际上对电路的要求并没有降低。在每个信号通道单独应用压缩感知技术的方法尽管降低了数据总量，但与传统奈奎斯特采样方案相比，更为复杂的电路架构又会占用更大的芯片面积，同时还存在通道间失配的问题。

技术实现思路

1、本发明通过提供一种基于压缩感知的多通道纳米孔dna测序检测方法和系统，解决了现有技术中由芯片上数百万个单个纳米孔组成的便携式纳米孔设备中，高速产生的大量传感数据对遵循奈奎斯特采样定律的传统数据采集系统提出极高的设计要求的问题，实现了个在不损失重要信息的情况下实现高效的数据压缩，大大降低了系统数据采集前端的资源消耗。

2、第一方面，本发明提供了一种基于压缩感知的多通道纳米孔dna测序检测方法，该方法包括：

3、获取dna分子序列，将所述dna分子序列转换多个稀疏信号；

4、将多个所述稀疏信号与伪随机序列逐位相乘，得到多个调制序列；

5、对所述多个调制序列进行求和，得到观测向量，并将所述观测向量进行adc量化，得到量化序列；

6、利用正交匹配追踪算法对所述量化序列进行求解，得到恢复结果。

7、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述获取dna分子序列，将所述dna分子序列转换稀疏信号，包括：

8、利用纳米孔与检测单元，计算所述dna分子序列中不同碱基对应的采样电压值；

9、利用参考序列文库，确定与所述采样电压值对应的采样电压值矩阵；

10、根据所述采样电压值矩阵确定所述dna分子序列对应的所述稀疏信号。

11、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述稀疏信号，包括：

12、

13、其中，表示在ψ域下的系数向量；n表示所述dna分子序列的长度。

14、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述调制序列，包括：

15、

16、其中，表示稀疏信号；表示伪随机序列；n表示所述dna分子序列的长度。

17、第二方面，本发明提供了一种基于压缩感知的多通道纳米孔dna测序检测系统，该系统包括：m个乘法电路、采样电路和信号恢复电路；所述m个乘法电路与所述采样电路的输入端并联；所述采样电路的输出端与所述信号恢复电路的输入端串联；

18、所述m个乘法电路分别用于将m个稀疏信号与伪随机序列进行相乘，得到m个待采样信号；

19、所述采样电路用于利用多通道采样方法对所述m个待采样信号进行采样，得到多通道采样量信号；

20、所述信号恢复电路用于将所述数字码进行分离和恢复，得到m个稀疏信号。

21、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述m个乘法电路分别用于将m个稀疏信号与伪随机序列进行相乘，得到m个待采样信号，包括：

22、当采样时钟信号φ上升沿到来时，若伪随机序列反向序列则控制信号φpi＝1、控制信号φni＝0，若伪随机序列反向序列则控制信号φpi＝0、控制信号φni＝1；

23、利用所述控制信号和所述乘法电路得到m个待采样信号。

24、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述m个乘法电路分别包括：第一组开关电路和第二组开关电路；

25、所述采样电路包括m组二进制电容；

26、所述m个乘法电路分别连接所述m组二进制电容；

27、每个所述乘法电路的第一组关电路对应连接二进制电容的上极板；

28、每个所述乘法电路的第二组关电路对应连接二进制电容的下极板。

29、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述第一组开关电路包括：开关k1和开关k2；

30、所述第二组开关电路，包括：开关k3和开关k4；

31、所述开关k1和所述开关k2并联；

32、所述开关k3和所述开关k4并联。

33、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述采样电路用于利用多通道采样方法对所述m个待采样信号进行采样，得到多通道采样量信号，包括：

34、将所述采样电路中的二进制电容平均分为m份，得到均分后的m组二进制电容；

35、分别利用所述m组二进制电容对所述m个待采样信号在二进制电容的下极板上进行采样，在二进制电容的上极板上得到多通道采样量信号。

36、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，还包括：比较器；所述比较器的输入端连接所述采样电路的上极板。

37、本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

38、(1)相比于传统数据压缩方法中先完整采集再滤去冗余信息的做法，本发明利用压缩感知技术，将纳米孔测序技术中的参考序列文库转化为压缩感知中的稀疏表示字典，在所提出的系统中通过片上压缩采样、片外重建信号的方法，降低了前端数据采集电路的资源消耗，将复杂的计算转移至算力更强的后端平台，提升测序系统的工作效率。

39、(2)相比于现有多通道信号处理技术，本发明在接收m个通道的纳米孔测序单元产生的数据时，采样量化电路以更低的采样率在不损失重要信息的情况下获取纳米孔测序数据，所需处理的数据量仅为数据总量的大大降低了多通道数据采样量化过程中的所需硬件资源与功耗。

技术特征：

1.一种基于压缩感知的多通道纳米孔dna测序检测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的多通道采样量化电路，其特征在于，所述获取dna分子序列，将所述dna分子序列转换稀疏信号，包括：

3.根据权利要求1所述的基于压缩感知的多通道采样量化电路，其特征在于，所述稀疏信号，包括：

4.根据权利要求1所述的基于压缩感知的多通道采样量化电路，其特征在于，所述调制序列，包括：

5.一种基于压缩感知的多通道纳米孔dna测序检测系统，其特征在于，包括：m个乘法电路、采样电路和信号恢复电路；所述m个乘法电路与所述采样电路的输入端并联；所述采样电路的输出端与所述信号恢复电路的输入端串联；

6.根据权利要求5所述的基于压缩感知的多通道采样量化电路，其特征在于，所述m个乘法电路分别用于将m个稀疏信号与伪随机序列进行相乘，得到m个待采样信号，包括：

7.根据权利要求5所述的基于压缩感知的多通道采样量化电路，其特征在于，所述m个乘法电路分别包括：第一组开关电路和第二组开关电路；

8.根据权利要求5所述的基于压缩感知的多通道采样量化电路，其特征在于，所述第一组开关电路包括：开关k1和开关k2；

9.根据权利要求5所述的基于压缩感知的多通道采样量化电路，其特征在于，所述采样电路用于利用多通道采样方法对所述m个待采样信号进行采样，得到多通道采样量信号，包括：

10.根据权利要求5所述的基于压缩感知的多通道采样量化电路，其特征在于，所述采样电路，还包括：比较器；所述比较器的输入端连接所述采样电路的上极板。

技术总结
本发明公开了一种基于压缩感知的多通道纳米孔DNA测序检测方法和系统，涉及生物微电子技术领域，解决了现有技术中由芯片上数百万个单个纳米孔组成的便携式纳米孔设备中，高速产生的大量传感数据对遵循奈奎斯特采样定律的传统数据采集系统提出极高的设计要求的问题，该方法包括：获取DNA分子序列，将DNA分子序列转换多个稀疏信号；将多个稀疏信号与伪随机序列逐位相乘，得到多个调制序列；对多个调制序列进行求和，得到观测向量，并将观测向量进行ADC量化，得到量化序列；利用正交匹配追踪算法对量化序列进行求解，得到恢复结果；实现了个在不损失重要信息的情况下实现高效的数据压缩，大大降低了系统数据采集前端的资源消耗。

技术研发人员：靳刚,白志威,汤华莲,刘伟峰,包军林,李登超,李振荣
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29