Absorption spectrophotometry signal de-noising using invariant wavelets

Filtrado de señales en espectrofotometría de absorción mediante wavelets invariantes a la traslación

Enfermedades como cáncer, hepatitis y sida, entre otras, ocasionan que la concentración y cantidad de algunas sustancias en fluidos corporales se modifique, por lo que su medición puede servir como técnica diagnóstica. Entre las técnicas más utilizadas para la detección y cuantificación de sustancias biológicas se encuentra la espectroscopía. El principal factor que limita la sensibilidad y calidad en la medida es la presencia de señales indeseadas, denominadas ruido. El ruido tiene diferentes orígenes, los cuales van desde los supuestos físicos hasta la influencia ambiental. Eliminar o reducir el ruido en espectroscopía ha sido objeto de estudio durante muchos años y en los últimos lustros se ha demostrado la aplicabilidad de la transformada wavelet con dicho propósito. Este trabajo presenta una transformada wavelet invariante a la traslación como una alternativa para aumentar la relación señal a ruido en señales provenientes de espectrofotómetros y por ende mejorar la calidad del análisis espectrofotométrico y la cuantificación de sustancias biológicas. La técnica propuesta se aplicó a señales generadas artificialmente y provenientes de dos espectrofotómetros, uno con fuente de radiación continua y otro con fuente de radiación láser. Los resultados obtenidos con esa técnica se compararon con los obtenidos a partir de filtros tradicionales: gaussianos, Wiener y wavelets ortogonales. Las principales ventajas derivadas de la aplicación de esta técnica son: un sustancial aumento de la relación señal a ruido y la preservación de la ubicación y el ancho de los picos espectrales. Estas ventajas incrementan la calidad y veracidad en el proceso de detección y cuantificación de sustancias biológicas y posibilitan un análisis automático del espectro. Además, conducirán a comprender las limitaciones experimentales y permitirán un estudio cuantitativo sobre la influencia de los cambios en la concentración de una sustancia determinada en enfermedades relacionadas.

Introducción

Existen diferentes maneras de detectar y cuantificar sustancias biológicas y especies químicas. Dentro de estas técnicas la espectroscopía es especialmente atractiva dado que es altamente sensible, muy rápida, robusta, extensible y su complejidad en la implementación es media. En espectrofotometría de absorción la ley de Bourguer-Lamber-Beer, o ley general de la espectrofotometría, brinda los fundamentos físico-matemáticos para encontrar la concentración de una sustancia a partir de la medida de absorción de esta (Valea y Girón, 1998). Esto es, si se conoce la potencia media radiante que incide sobre una muestra y la potencia transmitida, se puede calcular la cantidad de luz absorbida, la cual se expresa como:

A = abc (1)

Esta proporción representa la relación de la radiación con una muestra de concentración c en un camino óptico b dado en centímetros, donde A es la absorbancia y a es el coeficiente de absortividad (o de extinción) dado en litros por gramocentímetro.