RU2798738C1 - Method and system for identifying microorganisms - Google Patents

Method and system for identifying microorganisms Download PDF

Info

Publication number
RU2798738C1
RU2798738C1 RU2021138374A RU2021138374A RU2798738C1 RU 2798738 C1 RU2798738 C1 RU 2798738C1 RU 2021138374 A RU2021138374 A RU 2021138374A RU 2021138374 A RU2021138374 A RU 2021138374A RU 2798738 C1 RU2798738 C1 RU 2798738C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sample
spectrum
microorganisms
steps
unknown sample
Prior art date
Application number
RU2021138374A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Паоло ГАЛИАНО
Original Assignee
Алифакс С.Р.Л.
Filing date
Publication date
Application filed by Алифакс С.Р.Л. filed Critical Алифакс С.Р.Л.
Application granted granted Critical
Publication of RU2798738C1 publication Critical patent/RU2798738C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: invention is related to a method and a system for identifying microorganisms in a sample by assessing the vibrational spectrum. The method comprises the steps of preparing a database of known spectra and obtaining pre-calculated models from known spectra, the pre-calculated models being associated with hierarchically structured categories and/or classification groups of microorganisms. Spectra of unknown microbial samples are compared with pre-calculated microbial identification models of progressively smaller categories and/or classification groups to provide scores indicating that the unknown sample belongs to the specified microorganism categories and/or classification groups.
EFFECT: increasing the accuracy and reducing the analysis time without using significant computing power.
11 cl, 7 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение The field of technology to which the invention belongs

Настоящее изобретение относится к способу идентификации микроорганизмов, применимому в медицине, клинических исследованиях, ветеринарии, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и в области охраны окружающей среды, в котором используются статистические методы, такие как, например, методы многопараметрического анализа спектральных профилей или, альтернативно, нейронные сети, для идентификации и получения информации в отношении роста микроорганизмов за чрезвычайно короткое время по сравнению с обычными способами.The present invention relates to a method for the identification of microorganisms applicable in medicine, clinical research, veterinary medicine, agriculture, food industry and environmental protection, which uses statistical methods, such as, for example, methods of multivariable analysis of spectral profiles or, alternatively, neural networks, to identify and obtain information regarding the growth of microorganisms in an extremely short time compared to conventional methods.

В частности, изобретение предлагает аналитический инструмент для идентификации микроорганизмов посредством анализа спектрального профиля колебательного спектра неизвестного образца и сравнения спектрального профиля со спектрами образцов, ранее собранных и сохраненных в базе данных.In particular, the invention provides an analytical tool for identifying microorganisms by analyzing the spectral profile of the vibrational spectrum of an unknown sample and comparing the spectral profile with the spectra of samples previously collected and stored in a database.

Уровень техникиState of the art

Использование методов колебательной спектроскопии для идентификации микроорганизмов известно в уровне техники.The use of vibrational spectroscopy techniques for the identification of microorganisms is known in the art.

Например, инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) является неразрушающей аналитической технологией, позволяющей получить информацию по химическому составу анализируемого образца. Эту технологию использовали для анализа биологических образцов с начала 1990-х годов (Diem M. и соавт., The Analyst [27 августа 2004, 129 (10): 880-885]).For example, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) is a non-destructive analytical technology that provides information on the chemical composition of the analyzed sample. This technology has been used to analyze biological samples since the early 1990s (Diem M. et al., The Analyst [August 27, 2004, 129 (10): 880-885]).

В то же время была показана способность технологии FTIR идентифицировать и классифицировать неизвестные микроорганизмы (Helm D. и соавт., Journal of General Microbiology (1991, 137, 69-79), а также Marley L. и соавт., Vibrational Spectroscopy 26,2, 2001, 151-159).At the same time, the ability of FTIR technology to identify and classify unknown microorganisms was shown (Helm D. et al., Journal of General Microbiology (1991, 137, 69-79) and Marley L. et al., Vibrational Spectroscopy 26.2 , 2001, 151-159).

Известно, что различные виды, подвиды или подклассификации микроорганизмов характеризуются точным биохимическим составом в отношении белков, жиров, нуклеиновых кислот и полисахаридов, который отражается в характерном колебательном спектре (под ред. Griffiths и Chalmers, 2001 Handbook of vibrational spectroscopy, John Wiley & sons, New York, Volume 5).It is known that various species, subspecies or subclassifications of microorganisms are characterized by a precise biochemical composition with respect to proteins, fats, nucleic acids and polysaccharides, which is reflected in a characteristic vibrational spectrum (ed. Griffiths and Chalmers, 2001 Handbook of vibrational spectroscopy, John Wiley & sons, New York, Volume 5).

Некоторые потенциальные применения технологии FTIR в микробиологии включают:Some potential applications of FTIR technology in microbiology include:

(i) идентификацию патогенов в области медицины или ветеринарии, например, в клинической лаборатории;(i) identification of pathogens in the medical or veterinary field, for example in a clinical laboratory;

(ii) эпидемиологические исследования, тематические исследования, скрининг патогенов, проверка соблюдений требований гигиены, определение инфекционных цепочек, контроль лечения и обнаружение рецедивирующих инфекций;(ii) epidemiological studies, case studies, pathogen screening, hygiene testing, infection chain identification, treatment monitoring and detection of recurrent infections;

(iii) характеристика и скрининг микроорганизмов окружающей среды;(iii) characterization and screening of environmental microorganisms;

(iv) мониторинг биотехнологических процессов;(iv) monitoring of biotechnological processes;

(v) микробиологический контроль качества в пищевой или фармацевтической промышленности;(v) microbiological quality control in the food or pharmaceutical industry;

(vi) сохранение собираемых штаммов.(vi) conservation of collected strains.

Известны способы идентификации микроорганизмов, основанные на технологиях сравнительного анализа спектра неизвестного образца и спектров известных видов микроорганизмов, сохраняемых в базе данных.Known methods for identifying microorganisms based on the technology of comparative analysis of the spectrum of an unknown sample and the spectra of known types of microorganisms stored in the database.

Примеры известных способов идентификации этого типа приведены в документах US5660998A, CN103217398A, US6379920B1, WO2006002537A1, US9551654B2, US20170167973A1, WO2017/210783A1, Sousa и соавт., European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases (2014) 33: 1345-1353, Whittaker и соавт., Journal of Microbiological Methods 55 (2003) 709-716, Wang и соавт., International Journal of Food Microbiology 167 (2013) 293-302.Examples of known methods for identifying this type are given in documents US5660998A, CN103217398A, US6379920B1, WO2006002537A1, US9551654B2, US20170167973A1, WO2017/210783A1, Sousa et al., European Journal of Clinical Microbiology & Infect ious Diseases (2014) 33: 1345-1353, Whittaker et al. ., Journal of Microbiological Methods 55 (2003) 709-716, Wang et al., International Journal of Food Microbiology 167 (2013) 293-302.

Другой способ описан в патентной заявке PCT/IT2019/050025 на имя заявителя.Another method is described in patent application PCT/IT2019/050025 in the name of the applicant.

Однако во множестве известных способов получение спектра выполняется в режимах пропускания, отражения или визуализации.However, in many known methods, spectrum acquisition is performed in transmission, reflection, or imaging modes.

Например, получение спектра в режиме пропускания или отражения отражены в документах US5660998 и US6379920, а режимы визуализации рассматриваются в WO2006002537A1, US9551654B2, US20170167973A1.For example, spectrum acquisition in transmission or reflection mode is documented in US5660998 and US6379920, and imaging modes are discussed in WO2006002537A1, US9551654B2, US20170167973A1.

Недостатки этих способов связаны с тем, что получаемый сигнал непосредственно зависит от толщины и морфологии образца, если толщина образца слишком большая, это приводит к созданию насыщения, если образец неоднородный, то будут искажения по причине рассеяния.The disadvantages of these methods are related to the fact that the received signal directly depends on the thickness and morphology of the sample, if the sample thickness is too large, this leads to saturation, if the sample is inhomogeneous, then there will be distortion due to scattering.

Кроме того, известно, что основанные на методах визуализации способы, например, мультипиксельные технологии, могут характеризоваться ограничениями по разрешению индивидуальных спектров, что связано с более низким соотношением сигнал/шум на пиксель по сравнению с одноточечными детекторами. In addition, it is known that imaging-based methods, such as multi-pixel technologies, can be characterized by limitations in the resolution of individual spectra due to a lower signal-to-noise ratio per pixel compared to single-point detectors.

Еще один недостаток способов существующего уровня техники связан с тем, что часто спектры могут содержать сигналы, вызванные водой или другими загрязняющими веществами, которые перекрывают специфические сигналы микроорганизмов. Another disadvantage of the prior art methods is that often the spectra can contain signals caused by water or other contaminants that override the specific signals of microorganisms.

В некоторых случаях, как, например, в CN103217398A, можно применять методики сушки, но, как отмечено в WO 2017/210783A1, эти методики могут оказывать повреждающие и необратимые воздействия на микроорганизм, модифицируя при этом его спектр.In some cases, such as in CN103217398A, drying techniques can be used, but, as noted in WO 2017/210783A1, these techniques can have damaging and irreversible effects on the microorganism, while modifying its spectrum.

В некоторых случаях, как, например, в WO 2017/210783 A1, с целью удаления водных компонентов из спектра можно выполнить несколько запросов на получение спектров. Однако это решение имеет недостатки, связанные с большим временем анализа и большей сложностью аналитических методик сравнения спектров. In some cases, such as in WO 2017/210783 A1, multiple spectrum requests can be made to remove water components from the spectrum. However, this solution has disadvantages associated with a long analysis time and greater complexity of analytical methods for comparing spectra.

Еще один недостаток существующего уровня техники заключается в том, что часто справочные базы данных содержат ограниченное количество видов микроорганизмов и, таким образом, не охватывают широкий диапазон возможных видов.Another disadvantage of the prior art is that reference databases often contain a limited number of microbial species and thus do not cover the wide range of possible species.

Например, база данных и связанный с ней способ идентификации, представленный в CN103217398A, относится к 13 видам бактерий.For example, the database and associated identification method presented in CN103217398A refers to 13 kinds of bacteria.

Более того, с увеличением размеров справочных баз данных возникает серия проблем, связанных с методиками культивирования и роста видов микроорганизмов, с процедурами получения спектра и процедурами сравнительного анализа.Moreover, with the increase in the size of the reference databases, a series of problems arises related to the methods of cultivation and growth of microbial species, the procedures for obtaining the spectrum and the procedures for comparative analysis.

Например, с увеличением размера базы данных время анализа неизвестного образца также возрастает, так как спектр неизвестного образца необходимо сравнить с большим количеством спектров, содержащихся в базе данных.For example, as the size of the database increases, the time to analyze an unknown sample also increases, since the spectrum of the unknown sample must be compared with a large number of spectra contained in the database.

Более того, одни и те же виды микроорганизмов могут проявлять большую вариабельность в отношении спектральных характеристик, что затрудняет их сравнение со спектрами из базы данных.Moreover, the same microorganism species can show great variability in terms of spectral characteristics, making it difficult to compare them with database spectra.

Эта вариабельность может быть обусловлена наличием различных штаммов каждого вида или различиями между различными культурами одного вида, вызванными возможными вариациями химического состава культуральной среды и (или) условий роста.This variability may be due to the presence of different strains of each species or differences between different cultures of the same species, caused by possible variations in the chemical composition of the culture medium and (or) growth conditions.

Таким образом, существует потребность в разработке новых способов идентификации микроорганизмов, которые могут работать для большого количества классификаций микроорганизмов (например, таксономических категорий или фенотипических или генотипических групп) и с большой вариабельностью справочной базы данных. Thus, there is a need to develop new microbial identification methods that can work for a large number of microbial classifications (eg, taxonomic categories or phenotypic or genotypic groups) and with large variability in the reference database.

Таким образом, одна цель настоящего изобретения заключается в предложении способа идентификации, который сможет определить, принадлежат ли образцы неизвестных микроорганизмов одной или более категорий и (или) групп, описанных выше.Thus, one object of the present invention is to provide an identification method that can determine whether samples of unknown microorganisms belong to one or more of the categories and/or groups described above.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в предложении способа идентификации микроорганизмов, который позволяет различить между различными штаммами одних видов, подвидов или подклассификаций микроорганизмов, возможно выращенными в различных культурах на различных средах или в различных условиях окружающей среды в присутствии или отсутствии биологических жидкостей и (или) сложных матриц.Another object of the present invention is to provide a method for the identification of microorganisms, which allows to distinguish between different strains of the same species, subspecies or subclassifications of microorganisms, possibly grown in different cultures on different media or under different environmental conditions in the presence or absence of biological fluids and (or) complex matrices.

Другая цель настоящего изобретения заключается в предложении способа идентификации микроорганизмов, который является точным, требует небольшого времени для каждого индивидуального анализа и не требует значительных вычислительных мощностей, даже в случае больших баз данных.Another object of the present invention is to provide a microorganism identification method that is accurate, requires little time for each individual analysis, and does not require significant computing power, even in the case of large databases.

Другая цель настоящего изобретения заключается в предоставлении устройства, которое может легко реализовать способ идентификации микроорганизмов, интегрирующий все различные этапы анализа и инструментальные компоненты. Another object of the present invention is to provide a device that can easily implement a microorganism identification method integrating all the various assay steps and instrumental components.

Другая цель настоящего изобретения заключается в предоставлении устройства и способа, которые не требуют непрерывного или частичного соединения с интернетом для удаленной обработки данных и последующего достижения результата.Another object of the present invention is to provide an apparatus and a method that does not require a continuous or partial connection to the Internet in order to remotely process data and subsequently achieve a result.

Автор изобрел, проверил и воплотил в жизнь настоящее изобретение с целью преодоления недостатков уровня техники и достижения этих и других целей и преимуществ.The author invented, tested and implemented the present invention in order to overcome the shortcomings of the prior art and achieve these and other goals and advantages.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Настоящее изобретение представлено и охарактеризовано независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты описывают другие характеристики изобретения или варианты основной идеи изобретения.The present invention is presented and characterized by independent claims. The dependent claims describe other features of the invention or variations on the basic idea of the invention.

Настоящее изобретение касается способа идентификации микроорганизмов и, в частности, способа, позволяющего идентифицировать микроорганизмы в неизвестном образце, сравнивая колебательный спектр указанного неизвестного образца с заранее рассчитанной моделью, созданной из колебательных спектров сравнения известных образцов, которые ранее были заархивированы в базе данных.The present invention relates to a method for identifying microorganisms and, in particular, a method for identifying microorganisms in an unknown sample by comparing the vibrational spectrum of said unknown sample with a pre-calculated model created from the vibrational comparison spectra of known samples that were previously archived in a database.

Способ идентификации микроорганизмов по настоящему изобретению содержит следующие этапы:The method for identifying microorganisms of the present invention comprises the following steps:

- этап приготовления базы данных из спектров сравнения образцов известных микроорганизмов;- the stage of preparing a database from the comparison spectra of samples of known microorganisms;

- один или более этапов создания множества заранее рассчитанных моделей, связанных с категориями и (или) классификационными группами иерархических организованных микроорганизмов, от более широких категорий и (или) классификационных групп до меньших категорий и (или) классификационных групп, причем каждая заранее рассчитанная модель содержит позволяющие провести идентификацию спектральные характеристики, связанные с категорией и (или) классификационной группой микроорганизмов;- one or more steps for generating a plurality of pre-calculated models associated with categories and/or classification groups of hierarchical organized microorganisms, from broader categories and/or classification groups to smaller categories and/or classification groups, each pre-calculated model containing allowing identification of spectral characteristics associated with the category and (or) classification group of microorganisms;

- один этап отбора пробы неизвестного образца;- one stage of sampling of an unknown sample;

- один или более этапов получения спектра неизвестного образца;- one or more stages of obtaining the spectrum of an unknown sample;

- один или более этапов обработки спектра неизвестного образца;- one or more stages of processing the spectrum of an unknown sample;

- один или более этапов анализа, в каждом из которых предлагается последовательно провести множество подэтапов сравнения спектра неизвестного образца с указанными заранее рассчитанными моделями, причем в ходе каждого подэтапа методами многопараметрического анализа спектр неизвестного образца сравнивают с заранее рассчитанными моделями постепенно уменьшающихся категорий и (или) классификационных групп с целью предоставления по меньшей мере баллов, демонстрирующих принадлежность неизвестного образца к категориям и (или) классификационным группам микроорганизмов;- one or more stages of analysis, in each of which it is proposed to sequentially carry out a plurality of sub-stages of comparing the spectrum of an unknown sample with the indicated pre-calculated models, and during each sub-stage by methods of multi-parameter analysis, the spectrum of an unknown sample is compared with pre-calculated models of gradually decreasing categories and (or) classification groups in order to provide at least scores demonstrating the belonging of an unknown sample to categories and (or) classification groups of microorganisms;

- один или более этапов управления, на которых запрашивают новый этап получения спектра неизвестного образца, если параметры надежности ниже заранее заданных показателей приемлемости, или предоставляют конечный результат способа, который может содержать неуспешную идентификацию или успешную идентификацию.- one or more control steps that request a new step to obtain the spectrum of an unknown sample if the reliability parameters are below predetermined acceptance rates, or provide the end result of the method, which may contain an unsuccessful identification or a successful identification.

В соответствии с некоторыми воплощениями, этап приготовления базы данных из спектров сравнения, связанных с образцами известных микроорганизмов, содержит, для каждого образца:According to some embodiments, the step of preparing a database of comparison spectra associated with samples of known microorganisms comprises, for each sample:

- этап отбора пробы известного образца, возможно, полученного при выращивании на твердой или жидкой среде в присутствии или отсутствии биологических жидкостей и (или) сложных матриц;- the stage of sampling a known sample, possibly obtained by growing on a solid or liquid medium in the presence or absence of biological fluids and (or) complex matrices;

- один или более этапов получения спектра известного образца;- one or more stages of obtaining the spectrum of a known sample;

- один или более этапов обработки спектра известного образца.- one or more stages of processing the spectrum of a known sample.

В соответствии с первым воплощением способа, неизвестный образец и (или) известный образец может быть образцом, полученным при выращивании с использованием любой подходящей среды, например, твердой или жидкой, возможно в присутствии или отсутствии биологических жидкостей и (или) сложных матриц.In accordance with the first embodiment of the method, the unknown sample and/or the known sample may be a sample obtained by cultivation using any suitable medium, for example, solid or liquid, optionally in the presence or absence of biological fluids and/or complex matrices.

В соответствии с другим воплощением, неизвестный образец и (или) известный образец можно непосредственно получить из нативных образцов без фазы роста.According to another embodiment, an unknown sample and/or a known sample can be directly obtained from native samples without a growth phase.

В соответствии с некоторыми воплощениями, этап подготовки базы данных можно выполнить только один раз для создания базы данных, которую затем можно использовать для каждого последующего анализа неизвестных образцов.According to some embodiments, the database preparation step may be performed only once to create a database that can then be used for each subsequent analysis of unknown samples.

В соответствии с некоторыми воплощениями, этап подготовки базы данных может также означать обновление базы данных, выполняемое, когда требуется включить новые категории и (или) классификационные группы микроорганизмов, тем самым расширяя диапазон применимости способа.According to some embodiments, the step of preparing the database may also mean updating the database when new categories and/or classification groups of microorganisms are required to be included, thereby expanding the applicability of the method.

Аналогично, заранее рассчитанные модели после своего создания могут использоваться для каждого последующего анализа неизвестных образцов, или их можно обновлять каждый раз, когда это желательно, с целью добавления новых категорий и (или) классификационных групп микроорганизмов.Similarly, pre-calculated models, once created, can be used for each subsequent analysis of unknown samples, or they can be updated whenever desired to add new categories and/or classification groups of microorganisms.

В соответствии с настоящим изобретением, спектры получают при помощи устройства, способного обнаруживать поглощение инфракрасного излучения в прямом или непрямом режиме, такого как, например, колебательный спектрофотометр.In accordance with the present invention, the spectra are obtained using a device capable of detecting the absorption of infrared radiation in direct or indirect mode, such as, for example, an vibrational spectrophotometer.

В соответствии с некоторыми воплощениями, изобретение может использовать режим непрерывного считывания сигнала как в отсутствии, так и в присутствии образца, непрерывный режим способствует, соответственно, операциям очистки прибора и объективной оценке спектральных параметров (например, интенсивности сигнала, отношения сигнала к шуму, формы спектра, оптимального уровня сушки) в качестве подготовки к получению спектра.In accordance with some embodiments, the invention may use a continuous signal readout mode both in the absence and presence of a sample, the continuous mode facilitates, respectively, instrument cleaning operations and an objective assessment of spectral parameters (for example, signal intensity, signal-to-noise ratio, spectrum shape , the optimal level of drying) as a preparation for obtaining the spectrum.

Преимущественно, в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивается мониторинг спектральных параметров, таких как описаны выше, это позволяет стандартизировать качество получаемого спектра, делая процесс не зависящим от последующей оценки оператором.Advantageously, according to the present invention, the monitoring of spectral parameters such as those described above is provided, this allows the quality of the resulting spectrum to be standardized, making the process independent of subsequent evaluation by the operator.

Таким образом, получаемые в этом режиме спектры относятся к образцам, которые характеризуются фактически одинаковым уровнем интенсивности и сушки и, таким образом, более сопоставимы друг с другом.Thus, the spectra obtained in this mode refer to samples that are characterized by virtually the same level of intensity and drying and, thus, are more comparable with each other.

В соответствии с некоторыми воплощениями, в настоящем изобретении предлагается использование алгоритмов, которые автоматически идентифицируют наиболее значимые требуемые для идентификации спектральные характеристики классификационных групп.In accordance with some embodiments, the present invention proposes the use of algorithms that automatically identify the most significant spectral characteristics of classification groups required for identification.

Эта характеристика позволяет значительно уменьшить время, требуемое на этапе анализа, что дает возможность ускорить процесс и повысить точность идентификации.This characteristic allows to significantly reduce the time required at the analysis stage, which makes it possible to speed up the process and improve the accuracy of identification.

Преимущественно, в отношении способов из уровня техники, последовательное использование множества заранее рассчитанных моделей, связанных с классификационными группами иерархически организованных микроорганизмов, позволяет снизить вычислительные мощности, необходимые для идентификации неизвестного образца, не требует подключения к интернету, которое необходимо при использовании распределенных или удаленных компьютерных систем для обработки данных. Advantageously, with respect to the methods of the prior art, the sequential use of many pre-calculated models associated with classification groups of hierarchically organized microorganisms allows to reduce the computing power required to identify an unknown sample, does not require an Internet connection, which is necessary when using distributed or remote computer systems for data processing.

Эти характеристики позволяют увеличить размер базы данных, что позволяет идентифицировать множество видов, подвидов, классификаций или подклассификаций различных микроорганизмов, различных штаммов одного вида, подвида или подсемейства, также возможно выращенных в различных культурах на различных средах или в различных условиях окружающей среды, возможно, в присутствии биологических жидкостей и (или) сложных матриц.These characteristics make it possible to increase the size of the database, which allows the identification of many species, subspecies, classifications or subclassifications of different microorganisms, different strains of the same species, subspecies or subfamily, also possibly grown in different cultures on different media or under different environmental conditions, possibly in the presence of biological fluids and (or) complex matrices.

Настоящее изобретение также касается устройства для выполнения описанного здесь способа идентификации микроорганизмов, содержащего устройство для детектирования колебательного профиля, которое содержит источник излучения, детектор, зону сбора информации, определяемую как место, в котором должен быть расположен анализируемый образец, а также электронное устройство, стационарного или переносного типа, связанное с устройством для детектирования, в котором установлена система обработки информации и система отображения данных.The present invention also relates to a device for performing the method for identifying microorganisms described here, comprising a device for detecting a vibrational profile, which contains a radiation source, a detector, an information collection area, defined as a place where the analyzed sample should be located, and an electronic device, stationary or a portable type associated with the detection device in which the information processing system and the data display system are installed.

В соответствии с некоторыми воплощениями, заранее рассчитанные модели сохраняются в электронном устройстве, эти модели ассоциированы с классификационными группами иерархически организованных микроорганизмов, от более широких к меньшим классификационным группам, каждая заранее рассчитанная модель содержит позволяющие провести идентификацию спектральные характеристики, ассоциированные с категорией и (или) классификационной группой микроорганизмов.In accordance with some embodiments, pre-calculated models are stored in an electronic device, these models are associated with classification groups of hierarchically organized microorganisms, from broader to smaller classification groups, each pre-calculated model contains spectral characteristics associated with a category and / or classification group of microorganisms.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Эти и другие аспекты, характеристики и преимущества настоящего изобретения будут понятны со ссылкой на следующее описание, чертежи и прилагаемую формулу изобретения. Чертежи, которые являются неотъемлемой частью описания, демонстрируют некоторые воплощения настоящего изобретения и вместе с описанием иллюстрируют принципы раскрытия.These and other aspects, characteristics and advantages of the present invention will be understood with reference to the following description, drawings and the appended claims. The drawings, which form an integral part of the description, show some embodiments of the present invention and, together with the description, illustrate the principles of the disclosure.

Настоящее изобретение может быть лучше описано и продемонстрировано с помощью следующих чертежей:The present invention can be better described and demonstrated with the help of the following drawings:

фиг. 1 - схематическое представление возможного устройства в соответствии со способом по настоящему изобретению;fig. 1 is a schematic representation of a possible device according to the method of the present invention;

фиг. 2 – блок-схема, на которой в качестве примера показаны этапы одного воплощения способа по настоящему изобретению;fig. 2 is a block diagram showing, by way of example, the steps of one embodiment of the method of the present invention;

фиг. 3а и 3b - показаны экспериментальные данные, собираемые при помощи технологии FTIR-ATR; на фиг. 3а показаны собранные исходные данные, в которых каждый вид представлен своим цветом, а на фиг. 3b показаны преобразованные данные;fig. 3a and 3b show experimental data collected with FTIR-ATR technology; in fig. 3a shows the collected raw data, in which each species is represented by its own color, and in Fig. 3b shows the converted data;

фиг. 4а и 4b - соответственно, графические представления подэтапов для классификации неизвестного образца, получаемого на этапе Е, а в соответствующей таблице представлены баллы, генерируемые на этапе F для определения надежности идентификации;fig. 4a and 4b are respectively graphical representations of the sub-steps for classifying an unknown sample obtained in step E, and the corresponding table shows the scores generated in step F to determine identification reliability;

фиг. 5 - матрица смешения, получаемая в ходе перекрестной валидации способа в соответствии с описанными здесь воплощениями со спектрами базы данных и используемая для оценки классификации микроорганизмов в соответствии с категорией «рода». fig. 5 is a confounding matrix resulting from cross-validation of the method according to the embodiments described here with database spectra and used to evaluate the classification of microorganisms according to the category "genus".

С целью облегчения понимания везде, где возможно, для обозначения идентичных общих элементов на чертежах используются одинаковые позиции. Следует понимать, что элементы и характеристики одного воплощения можно беспрепятственно включать в другие воплощения без дополнительных уточнений.For the purpose of ease of understanding, wherever possible, the same reference numbers are used throughout the drawings to refer to identical common elements. It should be understood that the elements and characteristics of one embodiment can be freely included in other embodiments without further specification.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Далее мы подробно опишем различные воплощения настоящего изобретения, один или более примеров которых показаны на приложенных чертежах. Каждый пример предоставляется для иллюстрации изобретения, и его не следует понимать как ограничение изобретения. Например, характеристики, представленные или описанные как часть одного воплощения, можно адаптировать или использовать в связи с другими воплощениями с целью получения еще одного воплощения. Понятно, что настоящее изобретение должно содержать все такие модификации и варианты.Next, we will describe in detail the various embodiments of the present invention, one or more examples of which are shown in the attached drawings. Each example is provided to illustrate the invention and should not be construed as limiting the invention. For example, features presented or described as part of one embodiment may be adapted or used in connection with other embodiments to provide yet another embodiment. It is clear that the present invention should contain all such modifications and variations.

Перед рассмотрением этих воплощений мы должны также уточнить, что настоящее описание не ограничивает заявку деталями конструкции и расположения компонентов, как показано в следующем описании с использованием прилагаемых чертежей. В настоящем описании могут предлагаться другие воплощения, и они могут быть получены или выполнены различными другими способами. Следует должны уточнить, что фразеология и терминология использована здесь только для описания и не может считаться ограничивающей.Before considering these embodiments, we should also clarify that the present description does not limit the application to the details of the design and arrangement of components, as shown in the following description using the accompanying drawings. Other embodiments may be suggested herein and may be made or made in various other ways. It should be clarified that the phraseology and terminology used here is for description only and should not be considered limiting.

Если не указано другое, все технические и научные термины, используемые здесь и далее, имеют такое же значение, как обычно используют специалисты в области техники, к которой относится изобретение.Unless otherwise indicated, all technical and scientific terms used hereinafter have the same meaning as commonly used by those skilled in the art to which the invention pertains.

Хотя на практике или в ходе испытаний для проверки данного изобретения можно использовать способы и материалы, подобные или эквивалентные описанным здесь, способы и материалы описаны здесь в качестве примера. В случае конфликта превалирует настоящая заявка, содержащая определения. Материалы, способы и примеры являются исключительно иллюстративными и не должны считаться ограничивающими.Although methods and materials similar or equivalent to those described herein may be used in practice or during testing to test this invention, the methods and materials described herein are by way of example. In case of conflict, the present application containing the definitions shall prevail. The materials, methods, and examples are illustrative only and should not be considered limiting.

Здесь и далее под образцом мы понимаем минимальное количество любого вещества вообще, содержащего микробиологические организмы, такие как, например, микроорганизмы, но не только, для аналитических целей.Here and below, by sample we mean the minimum amount of any substance in general containing microbiological organisms, such as, for example, microorganisms, but not only, for analytical purposes.

Иногда при необходимости мы будет обозначать образец как неизвестный образец или известный образец, если состав микроорганизмов, соответственно, неизвестен или известен.Sometimes, if necessary, we will designate a sample as an unknown sample or a known sample if the composition of the microorganisms, respectively, is unknown or known.

В соответствии с некоторыми воплощениями, микроорганизмы могут представлять медицинский, клинический интерес, а также интерес для ветеринарии, сельского хозяйства, пищевой промышленности, а также для охраны окружающей среды.According to some embodiments, microorganisms may be of medical, clinical, veterinary, agricultural, food, and environmental interest.

На фиг. 1 схематически изображено устройство 10 для идентификации микроорганизмов в соответствии с настоящим изобретением.In FIG. 1 schematically shows a device 10 for identifying microorganisms in accordance with the present invention.

В соответствии с некоторыми воплощениями, для прямой или косвенной регистрации поглощения инфракрасного излучения в устройстве используется такое устройство, как, например:In accordance with some embodiments, for direct or indirect registration of absorption of infrared radiation in the device, a device is used, such as, for example:

- инфракрасный (ИК) спектрофотометр, возможно осуществляющий Фурье-преобразование ИК излучения;- infrared (IR) spectrophotometer, possibly performing Fourier transform of IR radiation;

- рамановский спектрометр;- Raman spectrometer;

- фототермический спектрометр;- photothermal spectrometer;

- фотоакустический спектрометр;- photoacoustic spectrometer;

- сочетание одного из перечисленных выше приборов с резонансными технологиями, в том числе не для усиления сигнала, такие как резонансная рамановская, усиленная поверхностью, усиленная поверхностью рамановская спектроскопия (SERS), усиленное поверхностью поглощение в ИК области (SEIRA), резонансное усиленное поверхностью поглощение в ИК области (резонансное SEIRA), усиленная на острие рамановская спектроскопия (TERS).- combination of one of the above instruments with resonant technologies, including those not for signal amplification, such as resonant Raman, surface enhanced, surface enhanced Raman spectroscopy (SERS), surface enhanced absorption in the IR region (SEIRA), resonant surface enhanced absorption in the IR region (resonant SEIRA), tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS).

Применимость настоящего изобретения, фактически, не ограничена типом технологии, используемой для получения колебательного профиля неизвестного образца, и описанные здесь способ или устройство можно использовать в сочетании с любым типом колебательного спектра.The applicability of the present invention is, in fact, not limited by the type of technology used to obtain the vibrational profile of an unknown sample, and the method or apparatus described herein can be used in combination with any type of vibrational spectrum.

Например, это устройство содержит спектрофотометр для колебательной спектроскопии типа FTIR, который может использовать любой режим получения колебательного спектра образцов, такой как, например, ATR (Attenuated Total Reflectance, нарушенное полное внутреннее отражение), и в этом случае оно будет называться FTIR-ATR спектрофотометр (фиг. 1).For example, this device contains an FTIR type vibrational spectrophotometer that can use any mode of sample vibrational spectrum acquisition, such as ATR (Attenuated Total Reflectance, Attenuated Total Reflectance), in which case it will be called an FTIR-ATR spectrophotometer. (Fig. 1).

Спектрофотометр может сочетаться с системой обработки и вывода данных на экран.The spectrophotometer can be combined with a system for processing and displaying data on the screen.

Система обработки и вывода данных может, например, быть интегрирована в единую систему обработки и вывода и (или) может содержаться в электронном устройстве 15, таком как, например, оборудованный экраном персональный компьютер или переносное устройство, такое как сотовый телефон или планшетный компьютер.The data processing and output system may, for example, be integrated into a single processing and output system and/or may be contained in an electronic device 15 such as, for example, a screen-equipped personal computer or a portable device such as a cellular phone or tablet computer.

В соответствии с некоторыми воплощениями, система обработки содержит компьютерную программу, которая может сохраняться в среде, доступной для чтения электронным устройством 15, и которая содержит инструкции, которые могут быть выполнены устройством 10 каждый раз, когда это требуется.In accordance with some embodiments, the processing system includes a computer program that can be stored in a readable medium by the electronic device 15 and that contains instructions that can be executed by the device 10 whenever required.

Далее для простоты демонстрации будут сделаны ссылки на электронное устройство 15 для обозначения набора программных и аппаратных систем, способных управлять устройством 10, а также обрабатывать и выводить данные на экран.In the following, for ease of demonstration, reference will be made to the electronic device 15 to denote a set of software and hardware systems capable of controlling the device 10, as well as processing and displaying data.

Спектрофотометр, сам по себе известный в виде своих основных компонентов, содержит по меньшей мере источник 13 излучения 17 и детектор 14.The spectrophotometer, itself known as its main components, comprises at least a radiation source 13 17 and a detector 14.

Для простоты на фиг. 1 не показаны другие компоненты спектрофотометра, такие как монохроматор, прерыватель, интерферометр. For simplicity, in FIG. 1 does not show other components of the spectrophotometer, such as the monochromator, chopper, interferometer.

Источник 13 может испускать любой тип излучения 17, подходящий для возбуждения молекул, присутствующих в образце, например, в случае ИК, FTIR или FTIR-ATR спектрофотометра это может быть источник инфракрасного излучения 17.Source 13 may emit any type of radiation 17 suitable for excitation of molecules present in the sample, for example, in the case of an IR, FTIR or FTIR-ATR spectrophotometer, this may be an infrared source 17.

В соответствии с некоторыми воплощениями, источник 13 может быть излучателем черного тела типа Globar или квантовым каскадным лазером (QCL) или обычным лазером с излучением в инфракрасной области.According to some embodiments, the source 13 may be a Globar black body emitter or a quantum cascade laser (QCL) or a conventional infrared laser.

В соответствии с некоторыми воплощениями, например, если спектрофотометр основан на рамановских технологиях, источник 13 может быть лазерным источником 13 монохроматического света, возможно, частота которого связана с инфракрасной областью или даже выше, в зависимости от конкретного типа используемой рамановской технологии.In accordance with some embodiments, for example, if the spectrophotometer is based on Raman technologies, the source 13 may be a laser source 13 of monochromatic light, possibly in the infrared region or even higher, depending on the particular type of Raman technology used.

В соответствии с некоторыми воплощениями, излучение 17, испускаемое источником 13, то есть падающее излучение 17а может быть направлено, возможно при помощи отражающих элементов 16, к образцу, расположенному в зоне 18 сбора информации.In accordance with some embodiments, the radiation 17 emitted by the source 13, that is, the incident radiation 17a can be directed, possibly by means of reflective elements 16, to the sample located in the zone 18 of the information collection.

В воплощениях, когда используется режим ATR, падающее излучение 17а может быть направлено на отражающие элементы 16, чтобы повлиять на внутренний отражающий элемент.In embodiments where the ATR mode is used, incident radiation 17a may be directed at the reflective elements 16 to affect the internal reflective element.

В соответствии с некоторыми воплощениями, внутренний отражающий элемент может, например, быть кристаллом 12.In accordance with some embodiments, the internal reflective element may, for example, be a crystal 12.

В соответствии с некоторыми воплощениями, кристалл 12 может быть кристаллом 12 с высоким показателем преломления.In accordance with some embodiments, the crystal 12 may be a crystal 12 with a high refractive index.

В соответствии с некоторыми воплощениями, кристалл 12 может быть кристаллом 12, изготовленным из алмаза, ZnSe, кремния или германия.In accordance with some embodiments, the crystal 12 may be a crystal 12 made of diamond, ZnSe, silicon or germanium.

Преимущественно, если кристалл 12 представляет собой алмазный кристалл 12, он характеризуется преимуществом большей надежности, чем ZnSe, кремний или германий, при использовании для сравнимых измерений, и имеет больший диапазон прозрачности.Advantageously, if the crystal 12 is a diamond crystal 12, it has the advantage of greater reliability than ZnSe, silicon, or germanium when used for comparable measurements, and has a larger transparency range.

Отражение излучения 17 внутри кристалла 12 создает затухающее поле на поверхности кристалла 12, на котором может быть определена зона 18 сбора данных.Reflection of radiation 17 inside the crystal 12 creates an evanescent field on the surface of the crystal 12, on which the data acquisition zone 18 can be defined.

Это затухающее поле может проникать в образец на определенную глубину, которая, в зависимости от ситуации, может достигать нескольких микрон.This evanescent field can penetrate the sample to a certain depth, which, depending on the situation, can reach several microns.

В частности, эта глубина является функцией угла падения и длины волны падающего излучения 17а, а также показателя преломления материала, используемого для кристалла 12, и, таким образом, может считаться фактически постоянной для всех анализируемых образцов. In particular, this depth is a function of the angle of incidence and wavelength of the incident radiation 17a, as well as the refractive index of the material used for the crystal 12, and thus can be considered virtually constant for all analyzed samples.

По этой причине преимущественно режим ATR позволяет получить спектры, которые не зависят от оптического пути излучения через образец и, таким образом, не зависят от толщины образца, что гарантирует более высокую воспроизводимость, по сравнению с подходами, при которых используется пропускание или отражение.For this reason, advantageously, the ATR mode produces spectra that are independent of the optical path through the sample and thus independent of the sample thickness, which guarantees higher reproducibility than either transmission or reflection approaches.

Более того, этот режим позволяет ограничивать или предотвращать явление рассеяния и (или) насыщения сигнала, которые могут отрицательно повлиять на качество спектра.Moreover, this mode allows you to limit or prevent the phenomenon of scattering and / or signal saturation, which can adversely affect the quality of the spectrum.

Таким образом, этот режим гарантирует большую повторяемость измерения и более простое приготовление образца.Thus, this mode guarantees greater measurement repeatability and easier sample preparation.

Излучение 17 на выходе, после взаимодействия с образцом, то есть исходящее излучение 17b, затем направляется отражающими элементами 16 к детектору 14.The output radiation 17, after interaction with the sample, i.e. the outgoing radiation 17b, is then directed by the reflective elements 16 to the detector 14.

В соответствии с некоторыми воплощениями, детектор 14 может быть детектором DLaTGS (триглицина сульфат с добавлением дейтерированного L-аланина).According to some embodiments, detector 14 may be a DLaTGS (triglycine sulfate supplemented with deuterated L-alanine) detector.

В соответствии с альтернативными воплощениями, детектор 14 может быть детектором DTGS. В соответствии с альтернативными воплощениями, детектор 14 может быть детектором MCT (меркурия кальция теллурид), в виде одного устройства или в составе массива.In accordance with alternative embodiments, detector 14 may be a DTGS detector. According to alternative embodiments, the detector 14 may be an MCT (Mercury Calcium Telluride) detector, either as a single device or as part of an array.

В соответствии с альтернативными воплощениями, детектор 14 может быть детектором CCD.In accordance with alternative embodiments, the detector 14 may be a CCD detector.

В соответствии с альтернативными воплощениями, детектор может быть болометром или микроболометром, в виде одного устройства или в составе массива.According to alternative embodiments, the detector may be a bolometer or microbolometer, either as a single device or as part of an array.

Например, детектор 14 преобразует оптическую информацию, содержащуюся в исходящем излучении 17b, в электрические сигналы, которые передаются на электронное устройство 15.For example, the detector 14 converts the optical information contained in the outgoing radiation 17b into electrical signals that are transmitted to the electronic device 15.

В соответствии с некоторыми воплощениями, устройство расположено так, чтобы снимать спектры в NIR области (ближняя ИК область) и (или) в MIR (средняя ИК область) и (или) в FIR (дальняя ИК область).According to some embodiments, the device is positioned to take spectra in NIR (near IR) and/or MIR (mid IR) and/or FIR (far IR).

В соответствии с некоторыми воплощениями, устройство 10 может работать в режиме непрерывного сбора информации, то есть, выводя на экран электронного устройства 15 в режиме реального времени ту информацию, которая каждый раз запрашивается в зоне сбора информации 18.In accordance with some embodiments, the device 10 can operate in a continuous collection of information, that is, displaying on the screen of the electronic device 15 in real time the information that is requested each time in the collection area 18.

Настоящее изобретение также касается способа идентификации микроорганизмов в составе образца путем оценки колебательного профиля, схематически отображенного на фиг. 2. Способ содержит следующие этапы:The present invention also relates to a method for identifying microorganisms in a sample composition by evaluating the vibrational profile shown schematically in FIG. 2. The method contains the following steps:

- этап А подготовки базы данных спектров сравнения известных образцов известных микроорганизмов, содержащий:- stage A of preparing a database of comparison spectra of known samples of known microorganisms, containing:

- один или более этапов А1 отбора известного образца;- one or more stages A1 of the selection of a known sample;

- один или более этапов A2 получения спектра известного образца;- one or more steps A2 of obtaining the spectrum of a known sample;

- один или более этапов A3, возможно автоматизированных, обработки спектра известного образца для того, чтобы по меньшей мере идентифицировать спектральные области, в которых следует оценивать наличие позволяющих провести идентификацию спектральных характеристик каждой категории и (или) классификационной группы;- one or more steps A3, possibly automated, of processing the spectrum of a known sample in order to at least identify spectral regions in which to evaluate the presence of identification-enabled spectral characteristics of each category and/or classification group;

- один или более этапов A4 создания множества заранее рассчитанных моделей, связанных с категориями и (или) классификационными группами иерархически организованных микроорганизмов, от более широких категорий и (или) классификационных групп к меньшим категориям и (или) классификационным группам, каждая заранее рассчитанная модель содержит позволяющие провести идентификацию спектральные характеристики, связанные с категорией и (или) классификационной группой микроорганизмов; - one or more steps A4 of creating a plurality of pre-calculated models associated with categories and (or) classification groups of hierarchically organized microorganisms, from broader categories and (or) classification groups to smaller categories and (or) classification groups, each pre-calculated model contains allowing identification of spectral characteristics associated with the category and (or) classification group of microorganisms;

- этап В отбора пробы неизвестного образца;- stage B of sampling of an unknown sample;

- один или более этапов С получения спектра неизвестного образца;- one or more steps C to obtain the spectrum of an unknown sample;

- один или более этапов D обработки спектра неизвестного образца на основании того, что определено на этапе А3;- one or more processing steps D of the spectrum of the unknown sample based on what is determined in step A3;

- один или более этапов E, каждый из которых предназначен для последовательного проведения множества подэтапов сравнения спектра неизвестного образца с указанными заранее рассчитанными моделями, причем в ходе каждого подэтапа методами многопараметрического анализа спектр неизвестного образца сравнивают с заранее рассчитанными моделями постепенно уменьшающихся категорий и (или) классификационных групп с целью предоставления по меньшей мере баллов, демонстрирующих принадлежность неизвестного образца к категориям и (или) классификационным группам микроорганизмов;- one or more stages E, each of which is designed to sequentially carry out a plurality of sub-stages of comparing the spectrum of an unknown sample with the specified pre-calculated models, and during each sub-stage, using multi-parameter analysis methods, the spectrum of an unknown sample is compared with pre-calculated models of gradually decreasing categories and (or) classification groups in order to provide at least scores demonstrating the belonging of an unknown sample to categories and (or) classification groups of microorganisms;

- один или более этапов F управления, на которых запрашивают новый этап получения спектра C неизвестного образца, если параметры надежности ниже заранее заданных показателей приемлемости, или предоставляют конечный результат способа, который может содержать неуспешную идентификацию J или успешную идентификацию G, H, I.- one or more control steps F, which request a new step to obtain spectrum C of an unknown sample if the reliability parameters are below predetermined acceptance rates, or provide the end result of the method, which may contain unsuccessful identification J or successful identification G, H, I.

В соответствии с некоторыми воплощениями, указанные этапы A1, A2, A3 можно повторять, когда желательно включить в базу данных новый известный образец.In accordance with some embodiments, these steps A1, A2, A3 can be repeated when it is desired to include a new known sample in the database.

В соответствии с некоторыми воплощениями, на этапах отбора проб B, A1 образец можно подвергать предварительным процедурам добавления к микроорганизмам питательных веществ.According to some embodiments, in the sampling steps B, A1, the sample may be subjected to preliminary procedures for adding nutrients to the microorganisms.

В соответствии с некоторыми воплощениями, образец можно выращивать на твердой культуральной среде. In accordance with some embodiments, the sample can be grown on a solid culture medium.

В соответствии с некоторыми воплощениями, образец можно выращивать в чашках Петри.In accordance with some embodiments, the sample can be grown in Petri dishes.

В соответствии с некоторыми воплощениями, образец можно выращивать на жидкой культуральной среде, а затем центрифугировать, получая концентрированный осадок.According to some embodiments, the sample can be grown in a liquid culture medium and then centrifuged to obtain a concentrated pellet.

В соответствии с некоторыми воплощениями, образец можно выращивать на жидкой культуральной среде или в жидком культуральном бульоне, а затем фильтровать.According to some embodiments, the sample can be grown in liquid culture medium or in liquid culture broth and then filtered.

В соответствии с некоторыми воплощениями, образец можно выращивать на жидкой культуральной среде или в жидком культуральном бульоне, а затем подвергать процедурам концентрирования или обогащения с целью повышения концентрации присутствующих микроорганизмов.According to some embodiments, the sample can be grown in liquid culture medium or in liquid culture broth and then subjected to concentration or enrichment procedures to increase the concentration of microorganisms present.

В соответствии с другими воплощениями, анализируемый образец можно получить непосредственно из нативного образца без фазы роста.In accordance with other embodiments, the analyzed sample can be obtained directly from a native sample without a growth phase.

В соответствии с некоторыми воплощениями, образец может содержать биологические жидкости и (или) сложные матрицы происхождения от человека, животных, из окружающей среды, сельского хозяйства и пищевых продуктов. В соответствии с некоторыми воплощениями, этапы получения спектра C и A2 могут содержать предварительный этап очистки поверхностей устройства, контактирующего с образцом, например, зоны сбора информации 18, показанной на фиг. 1.In accordance with some embodiments, the sample may contain biological fluids and/or complex matrices of human, animal, environmental, agricultural, and food origin. According to some embodiments, the spectrum acquisition steps C and A2 may comprise a preliminary step of cleaning the surfaces of the sample contacting device, such as the acquisition area 18 shown in FIG. 1.

В соответствии с некоторыми воплощениями, можно получать фоновые спектры, например, в режиме непрерывного сбора информации, с целью проверки эффективности такой очистки, например, по исчезновению полос поглощения, связанных с примесями, из зоны сбора информации 18.In accordance with some embodiments, it is possible to obtain background spectra, for example, in a continuous acquisition mode, in order to check the effectiveness of such cleaning, for example, by the disappearance of absorption bands associated with impurities from the acquisition zone 18.

В соответствии с некоторыми воплощениями, на этапах получения спектра C и A2 также предлагается, чтобы образец для анализа размещали в зоне сбора информации 18, возможно, расположенной на кристалле 12 спектрофотометра.In accordance with some embodiments, in steps C and A2, it is also proposed that the sample for analysis be placed in the collection zone 18, possibly located on the crystal 12 of the spectrophotometer.

В соответствии с некоторыми воплощениями, образец для анализа размещают в зоне сбора информации 18 в твердой форме, например, путем его извлечения и размещения при помощи одноразовой палочки. In accordance with some embodiments, the sample for analysis is placed in the collection zone 18 in solid form, for example, by removing it and placing it with a disposable stick.

В соответствии с некоторыми воплощениями, образец можно прижать к зоне сбора информации 18, например, используя динамометрический пресс. In accordance with some embodiments, the sample can be pressed against the collection zone 18, for example, using a torque press.

В соответствии с некоторыми воплощениями, спектроскопически отслеживают уровень сухости образца и спектральные параметры (например, интенсивность сигнала, отношение сигнала к шуму, форма спектра) перед получением спектра. In accordance with some embodiments, the sample dryness level and spectral parameters (eg, signal intensity, signal to noise ratio, spectrum shape) are monitored spectroscopically prior to obtaining the spectrum.

В соответствии с некоторыми воплощениями, возможно оценивать содержание воды, покидающей устройство, в режиме непрерывного сбора информации, отслеживая уменьшение, вплоть до возможного полного исчезновения, полос поглощения, относящихся к спектральным характеристикам воды, в соответствующих диапазонах волновых чисел.In accordance with some embodiments, it is possible to estimate the content of water leaving the device, in a continuous collection of information, tracking the decrease, up to the possible complete disappearance, of the absorption bands related to the spectral characteristics of water, in the respective ranges of wave numbers.

В соответствии с настоящим изобретением, спектр образца получают, когда достигается заранее заданный стандартный уровень сухости и значения спектральных параметров. In accordance with the present invention, a sample spectrum is obtained when a predetermined standard dryness level and spectral parameter values are reached.

Преимущественно, эта характеристика позволяет преодолеть или по меньшей мере ограничить проблему уровня техники, при которой спектр может содержать сигналы, вызванные наличием воды, которые перекрывают или интерферируют со специфическими сигналами микроорганизмов.Advantageously, this feature overcomes or at least limits the problem of the prior art whereby the spectrum may contain water-induced signals that overlap or interfere with microorganism-specific signals.

В ходе этапов получения спектра C, A2 также предлагается регистрировать спектр, получаемый в ходе анализа образца.During the spectrum acquisition steps C, A2, it is also proposed to record the spectrum obtained during the analysis of the sample.

В соответствии с некоторыми воплощениями, регистрация спектра обеспечивает получение заранее заданного количества последовательных спектров, которые затем усредняют для улучшения отношения сигнала к шуму.In accordance with some embodiments, spectrum acquisition provides a predetermined number of consecutive spectra, which are then averaged to improve the signal-to-noise ratio.

В соответствии с некоторыми воплощениями, количество спектров, которые можно получить и усреднить для каждого анализа, находится в диапазоне от 8 до 512, предпочтительно от 32 до 256 для каждого анализа, более предпочтительно от 64 до 128 для каждого анализа.In accordance with some embodiments, the number of spectra that can be obtained and averaged for each analysis is in the range from 8 to 512, preferably from 32 to 256 for each analysis, more preferably from 64 to 128 for each analysis.

Этапы D, A3 обработки спектра или усреднения спектра могут обеспечить следующее:Spectrum processing or spectrum averaging steps D, A3 can provide the following:

- идентификацию, возможно автоматическую, спектральных областей, в которых проводят оценку наличия спектральных характеристик, идентифицирующих каждую категорию и (или) классификационную группу;- identification, possibly automatic, of spectral regions in which an assessment is made of the presence of spectral characteristics that identify each category and (or) classification group;

- использование алгоритмов линейной и (или) нелинейной интерполяции и соотнесения спектральных профилей;- use of algorithms for linear and (or) non-linear interpolation and correlation of spectral profiles;

- расчет первой и второй производной спектрального профиля;- calculation of the first and second derivatives of the spectral profile;

- нормализацию производных с помощью алгоритмов векторной нормализации во всем спектральном диапазоне. Например, на фиг. 3а показаны спектры, которые можно собрать для различных образцов, а на фиг. 3b показаны спектры после обработки.- normalization of derivatives using vector normalization algorithms in the entire spectral range. For example, in FIG. 3a shows the spectra that can be collected from various samples, and FIG. 3b shows the spectra after processing.

Повторяя этапы A1, A2, A3 для нескольких известных образцов, можно получить базу данных спектров сравнения известных микроорганизмов.By repeating steps A1, A2, A3 for several known samples, a database of comparison spectra of known microorganisms can be obtained.

Однако, в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего способа, предполагается также, что база данных может содержать спектры известных микроорганизмов, полученные другими способами.However, in accordance with some embodiments of the present method, it is also contemplated that the database may contain spectra of known microorganisms obtained by other methods.

В соответствии с некоторыми воплощениями, база данных содержит спектры, относящиеся к мономикробным культурам, принадлежащим к различным классификационным группам известных микроорганизмов.In accordance with some embodiments, the database contains spectra related to monomicrobial cultures belonging to various classification groups of known microorganisms.

В соответствии с некоторыми воплощениями, база данных содержит спектры, относящиеся к различным штаммам известных микроорганизмов для каждой категории и (или) классификационной группы.In accordance with some embodiments, the database contains spectra related to various strains of known microorganisms for each category and/or classification group.

В соответствии с некоторыми воплощениями, база данных содержит спектры, относящиеся к образцам, выращенным на культуральной среде, например, но не только, на агаре, агаре CNA, агаре CLED, кровяном агаре, хромогенном агаре, агаре Сабуро.In accordance with some embodiments, the database contains spectra related to samples grown on culture media, for example, but not limited to, agar, CNA agar, CLED agar, blood agar, chromogenic agar, Sabouraud agar.

В соответствии с некоторыми воплощениями, база данных содержит спектры, относящиеся к образцам, выращенным на жидком бульоне для роста, которые затем центрифугируют или фильтруют, или обогащают для получения осадка концентрированных образцов.In accordance with some embodiments, the database contains spectra relating to samples grown in liquid growth broth, which are then centrifuged or filtered or enriched to obtain a precipitate of concentrated samples.

В соответствии с некоторыми воплощениями, база данных содержит спектры, относящиеся к образцам, полученным без фазы роста, то есть, полученным из нативных образцов, непосредственно из любого вещества или материала.In accordance with some embodiments, the database contains spectra related to samples obtained without a growth phase, that is, obtained from native samples, directly from any substance or material.

Преимущественно, измерение спектров, полученных в ходе роста в жидком бульоне и последующего осаждения или фильтрации или обогащения, позволяют идентифицировать спектры непосредственно в присутствии биологических жидкостей, например, жидкостей организма и (или) сложных матриц. Advantageously, measurement of spectra obtained during growth in a liquid broth and subsequent precipitation or filtration or enrichment allows the spectra to be identified directly in the presence of biological fluids, eg body fluids and/or complex matrices.

Эта гетерогенность и вариабельность спектров, содержащихся в базе данных, позволяет выполнить общий анализ, который дает возможность идентифицировать микроорганизмы, учитывая эффекты, связанные с ростом на различных культуральных средах.This heterogeneity and variability of the spectra contained in the database allows for a general analysis that enables the identification of microorganisms, taking into account the effects associated with growth on different culture media.

В соответствии с воплощениями, когда каждый спектр получают несколько раз, в базу данных можно включить несколько индивидуальных спектров и (или) средний спектр, рассчитанный для повторов.In accordance with embodiments, when each spectrum is obtained several times, several individual spectra and/or an average spectrum calculated for repetitions can be included in the database.

Этап А4 предполагает создание, начиная от спектра из базы данных, заранее рассчитанных моделей, то есть, справочных библиотек, содержащих позволяющие провести идентификацию спектральные характеристики, связанные с классификационными группами иерархически организованных микроорганизмов. Step A4 involves the creation, starting from the spectrum from the database, of pre-calculated models, that is, reference libraries containing spectral characteristics that allow for the identification of spectral characteristics associated with classification groups of hierarchically organized microorganisms.

В соответствии с некоторыми воплощениями, заранее рассчитанные модели можно сохранять в электронном устройстве 15 устройства 10.In accordance with some embodiments, pre-calculated models may be stored in the electronic device 15 of the device 10.

В соответствии с некоторыми воплощениями, позволяющие провести идентификацию спектральные характеристики могут, например, содержать формы, размеры, интенсивности и площади пиков, корреляции и отношения между интенсивностями или между площадями различных пиков, частоты максимальных значений пиков.In accordance with some embodiments, spectral characteristics allowing for identification may, for example, contain shapes, sizes, intensities and areas of peaks, correlations and relationships between intensities or between areas of different peaks, frequencies of maximum peak values.

В соответствии с некоторыми воплощениями, позволяющие провести идентификацию спектральные характеристики могут содержать спектральные профили в спектральных зонах от 950 до 1280 см-1 (связанных с нуклеиновыми кислотами, углеводами и полисахаридами), от 1280 до 1480 см-1 (связанных с крахмалами, например, белков, метилом и метиленом, например, липидов), от 1700 до 1800 см-1 (связанных с карбонильными группами, например, липидов), от 2800 до 3000 см-1 (связанных алифатическими цепями, например, липидов), показанные, например, в фиг. 3а и 3b.In accordance with some embodiments, spectral characteristics allowing identification may contain spectral profiles in the spectral zones from 950 to 1280 cm -1 (associated with nucleic acids, carbohydrates and polysaccharides), from 1280 to 1480 cm -1 (associated with starches, for example, proteins, methyl and methylene, e.g. lipids), from 1700 to 1800 cm -1 (associated with carbonyl groups, e.g. lipids), from 2800 to 3000 cm -1 (associated with aliphatic chains, e.g. lipids), shown, for example, in fig. 3a and 3b.

В соответствии с некоторыми воплощениями, классификационные группы могут содержать таксономические категории, такие как, например, домен, биологическое царство, тип, класс, отряд, семейство, триба, род, вид, подвид.According to some embodiments, classification groups may contain taxonomic categories such as, for example, domain, biological kingdom, phylum, class, order, family, tribe, genus, species, subspecies.

В соответствии с некоторыми воплощениями, классификационные группы могут, например, быть прокариотами, эукариотами, археями, грамм-положительными бактериями, грамм-отрицательными бактериями, дрожжевыми грибами, нитчатыми грибами.According to some embodiments, classification groups may, for example, be prokaryotes, eukaryotes, archaea, gram-positive bacteria, gram-negative bacteria, yeasts, filamentous fungi.

В соответствии с дополнительными воплощениями, классификационные группы могут, например, быть таксономическими категориями и (или) фенотипическими группами и (или) генотипическими группами.According to further embodiments, classification groups may, for example, be taxonomic categories and/or phenotypic groups and/or genotypic groups.

В соответствии с некоторыми воплощениями, классификационные группы могут быть иерархически организованы от более широких классификационных групп к меньшим классификационным группам, так что более широкие классификационные группы содержат множество меньших классификационных групп, например, один род микроорганизмов может включать несколько видов, и один вид микроорганизмов может включать несколько подвидов.In accordance with some embodiments, classification groups may be hierarchically organized from broader classification groups to smaller classification groups, such that broader classification groups contain many smaller classification groups, for example, one microorganism genus may include several species, and one microorganism species may include several subtypes.

В соответствии с некоторыми воплощениями, заранее рассчитанные модели могут содержать список позволяющих провести идентификацию спектральных характеристик, относящихся к каждой категории и (или) классификационной группе.In accordance with some embodiments, pre-calculated models may contain a list of identifying spectral characteristics related to each category and/or classification group.

На этапе А4 спектры из базы данных затем сравнивают для выявления позволяющих провести идентификацию спектральных характеристик, общих для классификационных групп микроорганизмов.In step A4, the spectra from the database are then compared to identify identifying spectral characteristics that are common to classification groups of microorganisms.

В соответствии с некоторыми воплощениями, можно предоставить автоматическую систему распознавания для выявления позволяющих провести идентификацию спектральных характеристик, связанных с классификационными группами.According to some embodiments, an automatic recognition system can be provided to identify identifyable spectral features associated with classification groups.

В соответствии с некоторыми воплощениями, связанные с классификационными группами позволяющие провести идентификацию спектральные характеристики можно определить при помощи упомянутых ниже технологий и (или) подходов статистического анализа, основанных на нейронных сетях и (или) машинном обучении.In accordance with some embodiments, spectral characteristics associated with classification groups that allow identification can be determined using the technologies and / or statistical analysis approaches mentioned below, based on neural networks and / or machine learning.

В соответствии с некоторыми воплощениями, можно, таким образом, создать произвольное количество заранее рассчитанных моделей на основании классификационных групп.According to some embodiments, it is thus possible to create an arbitrary number of pre-calculated models based on the classification groups.

Таким образом, каждый раз, когда на этапе анализа Е спектр неизвестного образца сравнивают с моделью, это сравнение можно проводить только для спектральных интервалов и (или) в отношении спектральных характеристик, представляющих наибольший интерес, а не в целом спектральном диапазоне и (или) не для всех спектральных характеристик.Thus, each time the spectrum of the unknown sample is compared with the model in analysis step E, this comparison can only be made for the spectral intervals and/or for the spectral features of greatest interest, and not for the entire spectral range and/or for all spectral characteristics.

Например, если требуется в целом спектральном диапазоне сравнить спектр неизвестного образца, полученный с разрешением 1 см-1, с базой данных, которая содержит, например, 18000 спектров сравнения, полученных с тем же разрешением, то в соответствии со способами из уровня техники, это сравнение потребует оценки 65 миллионов точек.For example, if you want to compare the spectrum of an unknown sample obtained with a resolution of 1 cm -1 over the entire spectral range with a database that contains, for example, 18,000 comparison spectra obtained with the same resolution, then in accordance with the methods of the prior art, this the comparison would require an evaluation of 65 million points.

Автор обнаружил, что при использовании заранее рассчитанных моделей в соответствии с настоящим изобретением это сравнение потребует оценить количество точек, которое от 20 до 80 раз меньше, чем согласно способам из уровня техники.The author has found that when using precalculated models in accordance with the present invention, this comparison will require an estimate of the number of points, which is from 20 to 80 times less than according to the methods of the prior art.

Таким образом, использование заранее рассчитанных моделей позволяет снизить требуемые вычислительные ресурсы, что тем самым позволяет исключить удаленный анализ данных и (или) распределенные вычисления, даже при наличии больших баз данных.Thus, the use of pre-calculated models makes it possible to reduce the required computing resources, which thereby eliminates remote data analysis and (or) distributed computing, even in the presence of large databases.

Эта характеристика, таким образом, позволяет значительно увеличить размер баз данных, так чтобы они содержали большое количество классификационных групп, что улучшает и расширяет прогностическую эффективность и идентификационную эффективность способа по настоящему изобретению.This feature thus allows the size of databases to be greatly increased so that they contain a large number of classification groups, which improves and expands the predictive performance and identification performance of the method of the present invention.

Эта характеристика также позволяет работать со спектрами даже при высоком разрешении, повышая точность и прецизионность способа.This feature also makes it possible to work with spectra even at high resolution, increasing the accuracy and precision of the method.

Более того, например, наличие списка может сделать излишним использование методов наименьших квадратов, и (или) возможные расчеты среднеквадратичных значений не требуется проводить в целом диапазоне волновых чисел для всех спектров.Moreover, for example, the presence of a list may make it redundant to use least squares methods, and (or) possible calculations of root mean square values are not required to be carried out in a whole range of wave numbers for all spectra.

В соответствии с некоторыми воплощениями, на этапе анализа Е предлагается выполнить множество последовательных подэтапов сравнения, в которых спектр неизвестного образца сравнивают с заранее рассчитанными моделями.According to some embodiments, analysis step E proposes to perform a plurality of successive comparison sub-steps in which the spectrum of the unknown sample is compared to pre-calculated models.

В частности, на каждом подэтапе сравнивают спектр неизвестного образца с заранее рассчитанными моделями постепенно уменьшающихся классификационных групп и получают по меньшей мере несколько баллов, характеризующих принадлежность неизвестного образца классификационным группам микроорганизмов.In particular, at each sub-step, the spectrum of the unknown sample is compared with pre-calculated models of gradually decreasing classification groups and at least several points are obtained that characterize the belonging of the unknown sample to the classification groups of microorganisms.

В соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения, для сравнения можно использовать статистические и (или) хемометрические способы многопараметрического анализа, такие как, например, анализ главных компонентов (PCA) или линейный дискриминантный анализ (LDA), а кроме того линейный дискриминантный метод частичных наименьших квадратов (LDPLS), квадратический дискриминантный анализ (QD), иерархический кластерный анализ (HCA), ансамбль случайных деревьев или любое сочетание этих и других технологий, не упомянутых явным образом. In accordance with some embodiments of the present invention, statistical and/or chemometric methods of multivariable analysis can be used for comparison, such as, for example, principal component analysis (PCA) or linear discriminant analysis (LDA), as well as linear discriminant partial least squares. (LDPLS), Quadratic Discriminant Analysis (QD), Hierarchical Cluster Analysis (HCA), Random Tree Ensemble, or any combination of these and other technologies not explicitly mentioned.

В соответствии с некоторыми воплощениями, для указанного сравнения можно использовать способы, технологии или алгоритмы, которые реализуют подходы, основанные на нейронных сетях.In accordance with some embodiments, methods, technologies or algorithms that implement approaches based on neural networks can be used for said comparison.

В соответствии с некоторыми воплощениями, для указанного сравнения можно использовать способы, технологии или алгоритмы, которые реализуют подходы, основанные на искусственном (машинном) обучении.According to some embodiments, methods, technologies or algorithms that implement approaches based on artificial (machine) learning can be used for said comparison.

В соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения, указанное сравнение может также предполагать сравнение первых и (или) вторых производных спектров и моделей.In accordance with some embodiments of the present invention, said comparison may also involve a comparison of first and/or second derived spectra and models.

В соответствии с некоторыми воплощениями, для учета различных областей спектра можно различными способами использовать статистические веса.In accordance with some embodiments, statistical weights can be used in various ways to account for different regions of the spectrum.

В соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения, сравнение между спектрами и моделью можно выполнить при помощи определения расстояния между спектром и моделью, например, используя способы, основанные на методе наименьших квадратов.In accordance with some embodiments of the present invention, the comparison between spectra and model can be performed by determining the distance between the spectrum and the model, for example, using methods based on the method of least squares.

В соответствии с некоторыми воплощениями, расстояние можно использовать в качестве метрики для выполнения статистического и (или) хемометрического анализа.In accordance with some embodiments, the distance can be used as a metric to perform statistical and/or chemometric analysis.

В соответствии с некоторыми воплощениями, для анализа PCA и (или) LDA можно использовать различие между спектрами.In accordance with some embodiments, the difference between the spectra can be used for PCA and/or LDA analysis.

В соответствии с некоторыми воплощениями, можно использовать сочетание статистических методов, которое предполагает проведение PCA с последующим анализом линейного дискриминанта главных компонентов методом LDA.According to some embodiments, a combination of statistical methods may be used, which involves performing PCA followed by linear discriminant principal component analysis by LDA.

В соответствии с этими воплощениями, если результат PCA подвергают последующему анализу LDA, разделение полученных методом PCA кластеров усиливается, что позволяет также идентифицировать виды, спектральные характеристики которых очень похожи друг на друга.According to these embodiments, if the PCA result is subjected to subsequent LDA analysis, the separation of the resulting PCA clusters is enhanced, which also allows the identification of species whose spectral characteristics are very similar to each other.

В соответствии с некоторыми воплощениями, подэтапы сравнения можно выполнять для сравнения первого неизвестного спектра с заранее рассчитанными моделями более широких классификационных групп с целью идентификации более широкой категории и (или) классификационной группы, к которой принадлежит неизвестный образец; затем неизвестный спектр сравнивают с заранее рассчитанными моделями постепенно уменьшающихся классификационных групп, чтобы определить постепенно уменьшающиеся классификационные группы, к которой принадлежит неизвестный образец.In accordance with some embodiments, the comparison sub-steps may be performed to compare the first unknown spectrum with pre-calculated models of broader classification groups in order to identify the broader category and/or classification group to which the unknown sample belongs; then the unknown spectrum is compared with pre-calculated models of progressively decreasing classification groups to determine the progressively decreasing classification group to which the unknown sample belongs.

Преимущественно, эта характеристика позволяет проводить меньшее количество сравнений между типами спектров, по сравнению с другими известными способами.Advantageously, this feature allows fewer comparisons between spectrum types than other known methods.

Например, если база данных содержит 45 типов спектров, связанных с 45 различными видами, согласно известным способам из уровня техники следует попытаться идентифицировать неизвестный образец, сравнивая его со всеми имеющимися 45 типами спектров видов. For example, if the database contains 45 spectrum types associated with 45 different species, known prior art methods would attempt to identify the unknown sample by comparing it to all 45 species spectrum types available.

С другой стороны, согласно воплощениям способа по настоящему изобретению, 45 видов можно классифицировать в соответствии с более широкими классификационными макрогруппами (например 4), характеризующимися схожими характеристиками.On the other hand, according to embodiments of the method of the present invention, 45 species can be classified according to broader classification macrogroups (eg 4) with similar characteristics.

Каждая макрогруппа содержит, например, по 3 меньшие классификационные группы, каждая из которых в свою очередь содержит по 2 еще меньшие классификационные подгруппы, последние, например, ассоциированы с различными видами или подвидами.Each macrogroup contains, for example, 3 smaller classification groups, each of which in turn contains 2 even smaller classification subgroups, the latter, for example, are associated with different species or subspecies.

В этом случае можно выполнить 3 подэтапа, причем на первом подэтапе неизвестный образец относят к первой классификационной макрогруппе, на втором подэтапе ко второй классификационной группе, на третьем этапе относят к третьей классификационной группе.In this case, 3 sub-stages can be performed, and at the first sub-stage, the unknown sample is assigned to the first classification macrogroup, at the second sub-stage, to the second classification group, and at the third stage, it is assigned to the third classification group.

Преимущественно, эта характеристика позволяет разделить спектры на схожие макрогруппы, упрощая матрицу данных и позволяя после завершения первого этапа работать с менее сложной матрицей данных, в которой легче идентифицировать особенности, разделяющие, например, конкретные похожие виды или подвиды.Advantageously, this feature allows the spectra to be separated into similar macrogroups, simplifying the data matrix and allowing, once the first step is completed, to work with a less complex data matrix in which it is easier to identify features that separate, for example, specific similar species or subspecies.

Более того, по сравнению с известными способами, эта характеристика позволяет получить более быстрый и более эффективный способ, как в терминах времени, так и в терминах потребления вычислительных ресурсов.Moreover, compared to known methods, this feature allows a faster and more efficient method, both in terms of time and in terms of consumption of computing resources.

В соответствии с некоторыми воплощениями, на каждом подэтапе сравнения многопараметрические технологии анализа позволяют получить баллы, демонстрирующие принадлежность к каждой из классификационных групп, с которыми сравнивают неизвестный спектр.In accordance with some embodiments, at each comparison sub-step, multivariable analysis techniques provide scores demonstrating belonging to each of the classification groups against which the unknown spectrum is compared.

Эти характеризующие принадлежность баллы можно получить известными способами при помощи технологий многопараметрического анализа, как описано выше, и их можно нормализовать и выразить в процентах.These membership scores can be obtained in known ways using multivariate analysis techniques as described above, and can be normalized and expressed as a percentage.

Например, в соответствии с некоторыми воплощениями, баллы принадлежности можно ассоциировать с линейным дискриминантом между главными компонентами.For example, in accordance with some embodiments, membership scores may be associated with a linear discriminant between principal components.

В соответствии с некоторыми воплощениями, на этапе F управления предлагается проверить надежность идентификации, выполненной на этапе анализа E.In accordance with some embodiments, at control step F, it is proposed to check the reliability of the identification performed at analysis step E.

Это управление можно провести, например, проверяя, что на каждом подэтапе идентифицирована по меньшей мере одна классификационная группа, к которой принадлежит неизвестный образец, имея балл принадлежности выше, чем заранее заданный показатель приемлемости, например, выше 70%.This control can be carried out, for example, by checking that at each sub-step, at least one classification group is identified to which the unknown sample belongs, having a membership score higher than a predetermined acceptance rate, for example, higher than 70%.

В этом случае (блок G на фиг. 2) неизвестный образец идентифицируется как принадлежащий меньшей классификационной группе.In this case (block G in Fig. 2), the unknown sample is identified as belonging to a smaller classification group.

Если в одном или более подэтапов сравнения один из баллов принадлежности меньше заранее заданного показателя приемлемости, согласно способу, предлагается выполнение второго этапа получения спектра С, второго этапа обработки D и второго этапа анализа Е, это вторая попытка анализа неизвестного образца.If in one or more comparison sub-steps one of the membership scores is less than a predetermined acceptance index, according to the method, it is proposed to perform the second step of obtaining the spectrum C, the second processing step D and the second analysis step E, this is the second attempt to analyze the unknown sample.

Если два этапа анализа Е относят неизвестный образец к одним и тем же классификационным группам (блок Н фиг 2), неизвестный образец идентифицируют в соответствии с наиболее мелкой классификационной группой, назначенной двумя этапами анализа Е.If two analysis steps E assign the unknown sample to the same classification groups (block H of FIG. 2), the unknown sample is identified according to the smallest classification group assigned by the two analysis steps E.

В противном случае предполагается проведение третьего анализа, третьего этапа получения спектра С, третьего этапа обработки D и третьего этапа анализа Е.Otherwise, a third analysis, a third spectrum acquisition step C, a third processing step D, and a third analysis step E are assumed.

Если на третьем этапе анализа Е неизвестный образец относят к тем же классификационным группам, что и по меньшей мере на одном из предыдущих этапов анализа Е (блок I на фиг. 2), неизвестный образец идентифицируют в соответствии с самой мелкой классификационной группой, определенной двумя этапами анализа Е с соответствующими результатами.If, in the third analysis step E, the unknown sample is assigned to the same classification groups as in at least one of the previous analysis steps E (block I in Fig. 2), the unknown sample is identified according to the smallest classification group determined by the two steps analysis E with the corresponding results.

В противном случае выводится сообщение о невозможности идентификации (блок J на фиг. 2).Otherwise, a message about the impossibility of identification is displayed (block J in Fig. 2).

В соответствии с одним воплощением предлагается компьютерная программа, или программное обеспечение, используемое для сбора данных и их анализа в отношении базы данных, которая может сохраняться в пригодной для чтения компьютера среде и которая содержит инструкции, которые при их выполнении на аналитическом устройстве для классификации и идентификации микроорганизмов осуществляют выполнение способа в соответствии с настоящим изобретением.In accordance with one embodiment, a computer program, or software, is provided that is used to collect data and analyze it against a database that can be stored in a computer-readable environment and that contains instructions that, when executed on an analysis device for classification and identification microorganisms carry out the implementation of the method in accordance with the present invention.

Пример 1Example 1

На фиг. 4а схематически показана технологическая схема процесса, выполняемая по отношению к неизвестному спектру с целью последовательного определения различных интересующих категорий путем применения множества прогностических моделей (этап Е) в соответствии с настоящим изобретением. Неизвестный спектр сравнивают с множеством прогностических моделей, разработанных на этапе А1, A2, A3, A4 на основании базы данных известных спектров. Каждая модель основана, например, на анализе PCA-LDA для назначения специфического типа среди всех возможных для определяемой категории. В частности, для каждой панели фиг. 4а каждая точка соответствует координатам, назначаемым в ходе расчета PCA-LDA спектру, присутствующему в базе данных известных образцов (этап А4); каждая точка в множестве A, B, С отражает специфический тип, к которому он принадлежит для определяемой категории. Согласно модели 1, в которой для категории 1 определена принадлежность различным представленным типам, все спектры известных образцов сгруппированы в соответствующие множества принадлежности A, B, C (первая панель фиг. 4a). Таким образом, для модели 1 возможны три различных типа, каждый из которых связан со специфической частью пространства, определенного моделью. In FIG. 4a is a schematic flow diagram of a process performed on an unknown spectrum to successively determine the various categories of interest by applying a plurality of predictive models (step E) in accordance with the present invention. The unknown spectrum is compared with a plurality of predictive models developed in steps A1, A2, A3, A4 based on a database of known spectra. Each model is based, for example, on a PCA-LDA analysis to assign a specific type among all possible for the defined category. In particular, for each panel of FIG. 4a, each point corresponds to the coordinates assigned during the PCA-LDA calculation to the spectrum present in the database of known samples (step A4); each point in the set A, B, C reflects the specific type to which it belongs for the defined category. According to model 1, in which category 1 is assigned to the different types represented, all spectra of known samples are grouped into the corresponding membership sets A, B, C (first panel of Fig. 4a). Thus, for model 1, three different types are possible, each of which is associated with a specific part of the space defined by the model.

Для каждого неизвестного спектра на этапе Е предсказываются пространственные координаты, которые он занимает в пространстве, описанном моделью, и, путем оценки его расположения в этом пространстве, определяется тип интересующей категории. Например, на первой панели фиг. 4а можно видеть, что для модели 1 его координаты аналогичны координатам спектра модели, принадлежащей к типу А, и, таким образом, его относят к тому же типу.For each unknown spectrum, step E predicts the spatial coordinates it occupies in the space described by the model and, by estimating its location in that space, determines the type of category of interest. For example, in the first panel of FIG. 4a, it can be seen that for model 1, its coordinates are similar to those of the spectrum of the model belonging to type A, and thus it is assigned to the same type.

Иерархическое подразделение моделей от более широких к более узким позволяет путем применения подэтапов, на которых предлагается применение множества моделей, получать все более и более специфическую информацию в отношении типа интересующего микроорганизма (вторая и третья панели фиг. 4а).The hierarchical subdivision of the models from broader to narrower allows, through the application of sub-steps in which the application of multiple models is proposed, to obtain more and more specific information regarding the type of microorganism of interest (second and third panels of Fig. 4a).

Следует отметить, что принадлежность специфическому типу в рамках предоставляемых категорией 1 определяет, какая модель будет следующей моделью, применяемой к неизвестному образцу.It should be noted that belonging to a specific type within the scope provided by category 1 determines which model will be the next model applied to the unknown sample.

Таким образом, неизвестный спектр сравнивают с заранее рассчитанными моделями постепенно уменьшающихся классификационных групп с целью идентификации все более детальных категорий принадлежности неизвестного образца (фиг. 4а). Thus, the unknown spectrum is compared with pre-calculated models of gradually decreasing classification groups in order to identify more and more detailed categories of the unknown sample (Fig. 4a).

Для каждой модели, применяемой на этапе анализа Е неизвестного образца, также рассчитывают балл, показывающий принадлежность к ассоциированному типу, возможно, в форме процентов. Это значение показывает, сколько координат, рассчитанных для неизвестного спектра, подобны определенным в модели спектра той же категории (таблица на фиг. 4b).For each model applied in the analysis step E of the unknown sample, a score is also calculated indicating belonging to the associated type, possibly in the form of a percentage. This value indicates how many coordinates calculated for the unknown spectrum are similar to those determined in the spectrum model of the same category (table in Fig. 4b).

Затем, на этапе F, показанном схематически на фиг. 4b, оцениваются баллы принадлежности, связанные с каждым из типов, определенных на различных подэтапах процесса, это позволяет оценить надежность результата. Для каждой модели определяют показатели приемлемости, при превышении которых результат можно считать надежным. Если в ходе описанного выше сравнения оказывается, что все значения баллов принадлежности выше заранее заданных для каждой модели, результат сообщают (этап G), в противном случае проводят новый анализ. Then, in step F, shown schematically in FIG. 4b, the membership scores associated with each of the types identified in the various sub-steps of the process are evaluated to assess the reliability of the result. For each model, acceptability indicators are determined, above which the result can be considered reliable. If, in the course of the comparison described above, all membership score values are higher than predetermined values for each model, the result is reported (step G), otherwise a new analysis is performed.

Пример 2Example 2

Согласно одному воплощению способа, его можно использовать для идентификации любой возможной таксономической характеристики, описанной выше, такой как, например, род микроорганизма. См. фиг. 5, на которой показана матрица смешения, полученная в ходе валидации способа со спектром из базы данных по настоящему изобретению, в этой матрице можно наблюдать соответствие между фактическими и предсказанными значениями от 97,5% до 100%.According to one embodiment of the method, it can be used to identify any possible taxonomic characteristic described above, such as, for example, the genus of a microorganism. See fig. 5, which shows the mixing matrix obtained during the validation of the method with the spectrum from the database of the present invention, in this matrix one can observe the correspondence between actual and predicted values from 97.5% to 100%.

Понятно, что в описанный выше способ и (или) устройство можно вносить модификации и (или) добавления деталей или этапов, не выходя из области настоящего изобретения. Понятно также, что, хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на некоторые специфические примеры, специалист в данной области техники, несомненно, сможет получить много других эквивалентных форм способа и (или) устройства, используя при этом характеристики, описанные в формуле изобретения, и таким образом, все они попадают в определяемую здесь область защиты.It is understood that modifications and/or additions of details or steps can be made to the method and/or apparatus described above without departing from the scope of the present invention. It is also understood that, although the present invention has been described with reference to some specific examples, a person skilled in the art will undoubtedly be able to obtain many other equivalent forms of the method and/or apparatus, while using the characteristics described in the claims, and thus thus, they all fall within the protection area defined here.

Claims (21)

1. Способ идентификации микроорганизмов в образце путем оценки колебательного спектра, включающий следующие этапы:1. A method for identifying microorganisms in a sample by assessing the vibrational spectrum, which includes the following steps: - этап (А) подготовки базы данных со спектрами сравнения известных образцов известных микроорганизмов, содержащий:- stage (A) of preparing a database with comparison spectra of known samples of known microorganisms, containing: - один или более этапов (А1) отбора известного образца;- one or more steps (A1) of taking a known sample; - один или более этапов (А2) получения спектра известного образца;- one or more steps (A2) of obtaining a spectrum of a known sample; - один или более этапов (A3) обработки спектра известного образца для того, чтобы по меньшей мере идентифицировать спектральные области, в которых следует оценивать наличие спектральных характеристик, идентифицирующих каждую категорию и/или классификационную группу;- one or more stages (A3) processing the spectrum of a known sample in order to at least identify the spectral regions in which to evaluate the presence of spectral characteristics that identify each category and/or classification group; - один или более этапов (A4) создания множества заранее рассчитанных моделей, связанных с категориями и/или классификационными группами иерархически организованных микроорганизмов, от более широких категорий и/или классификационных групп к меньшим категориям и/или классификационным группам, каждая заранее рассчитанная модель содержит указанные позволяющие провести идентификацию спектральные характеристики, связанные с категорией и/или классификационной группой микроорганизмов; - one or more steps (A4) of creating a plurality of pre-calculated models associated with categories and/or classification groups of hierarchically organized microorganisms, from broader categories and/or classification groups to smaller categories and/or classification groups, each pre-calculated model contains the specified allowing identification of spectral characteristics associated with the category and / or classification group of microorganisms; - этап (В) отбора пробы неизвестного образца;- step (B) sampling an unknown sample; - один или более этапов (С) получения спектра неизвестного образца;- one or more steps (C) to obtain the spectrum of an unknown sample; - один или более этапов (D) обработки спектра неизвестного образца на основании того, что определено на этапе (А3);- one or more steps (D) processing the spectrum of the unknown sample based on what is determined in step (A3); - один или более этапов (E), на каждом из которых последовательно выполняют множество подэтапов сравнения спектра неизвестного образца с указанными заранее рассчитанными моделями, причем на каждом подэтапе сравнивают методами многопараметрического анализа спектр неизвестного образца с заранее рассчитанными моделями постепенно уменьшающихся категорий и/или классификационных групп, с тем чтобы предоставить по меньшей мере баллы, показывающие принадлежность неизвестного образца к указанным категориям и/или классификационным группам микроорганизмов;- one or more stages (E), at each of which a plurality of sub-stages of comparing the spectrum of the unknown sample with the specified pre-calculated models are sequentially performed, and at each sub-stage, the spectrum of the unknown sample is compared using multi-parameter analysis methods with pre-calculated models of gradually decreasing categories and / or classification groups , in order to provide at least scores showing that the unknown sample belongs to the specified categories and / or classification groups of microorganisms; - один или более этапов (F) управления, на которых сравнивают определенные на этапе (Е) баллы принадлежности с заранее заданными показателями приемлемости, и, в случае если баллы принадлежности выше показателей приемлемости, представляют конечный результат, который содержит успешную идентификацию (G), а в случае если баллы принадлежности ниже заранее заданных показателей приемлемости, запрашивают второй этап получения спектра (C) неизвестного образца, и по результатам этапов обработки (D) и этапов анализа (Е) представляют успешную идентификацию (Н) или запрашивают третий этап получения спектра (С) неизвестного образца, и по результатам этапов обработки (D) и этапов анализа (E) предоставляют конечный результат способа, который содержит успешную идентификацию (I) или неуспешную идентификацию (J).- one or more control steps (F) that compare the membership scores determined in step (E) with predetermined acceptance scores and, if the scores are higher than the acceptance scores, present an end result that contains a successful identification (G), and if the membership scores are below predetermined acceptance indicators, the second stage of obtaining the spectrum (C) of the unknown sample is requested, and based on the results of the processing stages (D) and the analysis stages (E), a successful identification (H) is presented or the third stage of obtaining the spectrum is requested ( C) an unknown sample, and the results of the processing steps (D) and the analysis steps (E) provide the final result of the method, which contains a successful identification (I) or unsuccessful identification (J). 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанные этапы (А3) обработки спектра известного образца являются автоматизированными.2. The method according to claim 1, characterized in that said steps (A3) of processing the spectrum of a known sample are automated. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на указанном этапе (F) управления проверяют, что на каждом из указанных подэтапов сравнения идентифицирована по меньшей мере одна классификационная группа, к которой принадлежит неизвестный образец, с баллом принадлежности выше, чем указанный заранее заданный показатель приемлемости.3. The method according to claim 1, characterized in that at said control step (F) it is checked that at each of said comparison sub-steps at least one classification group is identified to which the unknown sample belongs, with a membership score higher than specified in advance predetermined acceptance rate. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что на этапе (А4) создания множества заранее рассчитанных моделей используют комбинированные статистические методы для проведения анализа главных компонентов с последующим анализом линейного дискриминанта главных компонентов (PCA-LDA); указанные заранее рассчитанные модели затем применяют для прогнозирования категорий и/или классификационных групп на этапе (Е) анализа неизвестного образца.4. The method according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that in step (A4) of creating a plurality of pre-calculated models, combined statistical methods are used to perform a principal component analysis followed by a linear principal component discriminant analysis (PCA-LDA); said precalculated models are then used to predict the categories and/or classification groups in step (E) of analyzing the unknown sample. 5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что неизвестный образец и/или известный образец выращены, используя любую подходящую культуральную среду, в присутствии или отсутствие биологических жидкостей и/или сложных матриц.5. The method according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that the unknown sample and/or the known sample are grown using any suitable culture medium, in the presence or absence of biological fluids and/or complex matrices. 6. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что неизвестный образец и/или известный образец представляют собой образец, полученный непосредственно из нативного образца, не подвергавшегося фазе роста.6. The method according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that the unknown sample and/or the known sample is a sample obtained directly from a native sample that has not undergone a growth phase. 7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что на этапе анализа (E) применяют методы, основанные на нейронных сетях.7. The method according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that at the stage of analysis (E) methods based on neural networks are used. 8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что на этапах (C, A2) выполняют непрерывный режим регистрации как в отсутствие, так и в присутствии образца, указанный непрерывный режим способствует, соответственно, проведению операций очистки прибора и объективной оценке спектральных параметров перед стандартизированным получением спектра.8. The method according to any one of paragraphs. 1-7, characterized in that at steps (C, A2) a continuous recording mode is performed both in the absence and in the presence of a sample, this continuous mode contributes, respectively, to the instrument cleaning operations and an objective assessment of spectral parameters before standardized spectrum acquisition. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что указанными спектральными параметрами являются интенсивность сигнала, отношение сигнала к шуму, форма спектра, оптимальный уровень высушивания.9. Method according to claim 8, characterized in that said spectral parameters are signal intensity, signal-to-noise ratio, spectrum shape, optimal drying level. 10. Устройство для осуществления способа идентификации микроорганизмов в образце по любому из пп. 1-9, содержащее устройство для детектирования колебательного спектра, которое содержит источник (13) излучения (17), детектор (14), определенную зону сбора информации (18), предназначенную для расположения на ней анализируемого образца, и электронное устройство (15) стационарного или переносного типа, которое связано с устройством для детектирования и в котором установлены система обработки информации и система отображения данных, при этом в указанном электронном устройстве (15) сохранены заранее рассчитанные модели, ассоциированные с классификационными группами иерархически организованных микроорганизмов, от более широких групп к меньшим классификационным группам, причем каждая заранее рассчитанная модель содержит идентификационные спектральные характеристики, ассоциированные с классификационной группой микроорганизмов, вследствие чего отсутствует необходимость в подключении к интернету для выполнения вычислительных операций, необходимых для получения результата.10. A device for implementing a method for identifying microorganisms in a sample according to any one of paragraphs. 1-9, containing a device for detecting a vibrational spectrum, which contains a radiation source (13) (17), a detector (14), a certain information collection area (18) designed to locate the analyzed sample on it, and an electronic device (15) of a stationary or portable type, which is associated with a device for detection and in which an information processing system and a data display system are installed, while in the specified electronic device (15) pre-calculated models are stored associated with the classification groups of hierarchically organized microorganisms, from larger groups to smaller ones. classification groups, with each pre-calculated model containing the identification spectral characteristics associated with the classification group of microorganisms, so that there is no need for an Internet connection to perform the computational operations necessary to obtain the result. 11. Машиночитаемый носитель, содержащий компьютерную программу или программное обеспечение, используемые для сбора данных и их анализа относительно базы данных и которые содержат инструкции, которые при их выполнении на устройстве для идентификации микроорганизмов определяют выполнение способа согласно любому из пп. 1-9.11. A computer-readable medium containing a computer program or software used to collect data and analyze it against a database and which contain instructions that, when executed on a device for identifying microorganisms, determine the execution of a method according to any one of paragraphs. 1-9.
RU2021138374A 2019-07-30 Method and system for identifying microorganisms RU2798738C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2798738C1 true RU2798738C1 (en) 2023-06-23

Family

ID=

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2439536A1 (en) * 2010-10-01 2012-04-11 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO New classification method for spectral data

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2439536A1 (en) * 2010-10-01 2012-04-11 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO New classification method for spectral data

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C. Sousa и др. "Discrimination of the Acinetobacter calcoaceticus-Acinetobacter baumannii complex species by Fourier transform infrared spectroscopy", EUROPEAN JOURNAL OF CLINICAL MICROBIOLOGY & INFECTIOUS DISEASES, т. 33, No 8, 2014 г., стр. 1345-1353. Thomas Udelhoven "Development of a Hierarchical Classiаcation System with Artiаcial Neural Networks and FT-IR Spectra for the Identiаcation of Bacteria", APPLIED SPECTROSCOPY, т. 54, No 10, 2000 г., стр. 1471-1479. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Xu et al. Raman spectroscopy coupled with chemometrics for food authentication: A review
US20220364985A1 (en) Method and system to identify microorganisms
US9551654B2 (en) Method for the spectral identification of microorganisms
Giovenzana et al. Rapid evaluation of craft beer quality during fermentation process by vis/NIR spectroscopy
Sivakesava et al. Simultaneous determination of multiple components in lactic acid fermentation using FT-MIR, NIR, and FT-Raman spectroscopic techniques
Pierna et al. NIR hyperspectral imaging spectroscopy and chemometrics for the detection of undesirable substances in food and feed
DK2174116T3 (en) PROCESS FOR TYPING OF AN INDIVIDUAL strain of a species of microorganism
JP7271561B2 (en) Method for identifying microorganisms using spectroscopic techniques
US20080102487A1 (en) Method and apparatus for non-invasive rapid fungal specie (mold) identification having hyperspectral imagery
Jaafreh et al. In vitro discrimination and classification of Microbial Flora of Poultry using two dispersive Raman spectrometers (microscope and Portable Fiber-Optic systems) in tandem with chemometric analysis
US20190369015A1 (en) Identification of microorganisms using disposable dual reflection substrate for measuring infrared spectra of said microorganisms
Shirai et al. Detection of fluorescence signals from ATP in the second derivative excitation–emission matrix of a pork meat surface for cleanliness evaluation
Giordano et al. Spectroscopic classification of 14 different microalga species: first steps towards spectroscopic measurement of phytoplankton biodiversity
RU2798738C1 (en) Method and system for identifying microorganisms
Zhou et al. Applications of near infrared spectroscopy in cotton impurity and fiber quality detection: A review
González et al. Fingermark analysis by fourier transform infrared microscopy using chemometric tools
CN104374740A (en) Detection method of bee product
RU2782888C2 (en) Method for identification of microorganisms, using practical spectroscopy
CN115718089A (en) Method for rapidly identifying sample category based on flora Raman features
Xiao et al. Rapid detection of maize seed germination rate based on Gaussian process regression with selection kernel function
Chen et al. PLS-DA Infrared Spectra Model of Citrus Leaves for the Characterization of Citrus Huanglongbing
WO2021106156A1 (en) Method and device for predicting growth of microorganism
US20220082497A1 (en) Spectroscopic method and apparatus for prediction of non-alcoholic and alcoholic beverages quality parameters and properties
Primpke Lessons learned by the harmonization between spectroscopic and thermal degradation methods for the analysis of microplastics
Bae et al. Nano-Optical Sensors for Food Safety and Security