Chemometria

Chemometria to dziedzina wiedzy zajmująca się wydobywaniem użytecznej informacji z wielowymiarowych danych pomiarowych za pomocą metod numerycznych i statystycznych. Algorytmy chemometryczne znajdują przede wszystkim zastosowanie, gdy dane charakteryzują się dużą złożonością, zmiennością oraz niepewnością a także znacznym stopniem wewnętrznego powiązania, czyli informacja zawarta jest nie w pojedynczych zmiennych ale w relacji pomiędzy nimi. Występują również punkty odbiegające, brak jest niektórych danych a rozkład ma zmienny charakter.

Chemometria umożliwia wykorzystanie dużej liczby zmiennych do kompleksowego opisu zjawiska, na podstawie minimalnej liczby przebadanych obiektów, daje możliwość uzyskania wysokiej jakości informacji na podstawie danych o dużym poziomie niepewności, pozwala na podejmowanie zagadnień trudnych, leżących na granicy stosowalności metod statystycznych. Efektem wykorzystania chemometrii jest możliwość rozwiązania lub objaśnienia rzeczywistych problemów przy pomocy algorytmów obliczeniowych.

Wykład

  • Wprowadzenie do chemometrii: charakterystyka przedmiotu, zakres badań i zastosowań, podstawowe zagadnienia.
  • Planowanie doświadczeń: wprowadzenie, zmienne, modele regresyjne, plany czynnikowe, przykłady.
  • Analiza i wstępne opracowanie danych: przygotowanie i kontrola danych, zależności pomiędzy zmiennymi, transformacja zmiennych, linearyzacja zależności, punkty odbiegające, przykłady.
  • Modelowanie zależności: identyfikacja i istotność modelu, adekwatność modelu i istotność zmiennych, zdolność prognostyczna modelu.
  • Analiza podobieństwa: wprowadzenie, transformacja zmiennych, podobieństwo wielowymiarowe, analiza podobieństwa cech, analiza podobieństwa próbek/obiektów, redukcja wymiaru przestrzeni cech.
  • Analiza skupień obiektów: definicje, metody graficzne, dendrogram, metoda k-najbliższych sąsiadów.
  • Analiza głównych składowych: podstawowe pojęcia, obliczanie głównych składowych, określenie liczby głównych składowych i ich interpretacja.
  • Analiza dyskryminacyjna.
  • Metody klasyfikacji obiektów: liniowe funkcje dyskryminacyjne, sztuczne sieci neuronowe, maszyna wektorów wspierających, drzewa klasyfikacji i regresji, SIMCA.
  • Ocena trafności klasyfikacji, strategie walidacji modelu klasyfikacyjnego.
  • Algorytmy genetyczne.
  • Teoria Bayesa i jej zastosowanie w interpretacji wyników badań DNA
  • Analiza przykładów zastosowania chemometrii w inżynierii biomedycznej.
  • Chemometria w naukach sądowych i kryminalistyce.
  • Wydobywanie informacji z sygnałów akustycznych.

Laboratorium/seminarium

  • Elementy teorii macierzy.
  • Metryka i przestrzeń metryczna.
  • Wprowadzenie do wykonywania obliczeń chemometrycznych w środowisku Matlab oraz Statgraphics.
  • Realizacja projektów obliczeniowych demonstrujących praktyczne wykorzystanie wybranych metod chemometrycznych w interpretacji wielowymiarowych danych pomiarowych.
  • Modelowanie w systemach biologicznych i chemicznych. Metody: analiza skupień, metoda k-najbliższych sąsiadów, analiza głównych składowych, liniowa analiza dyskryminacyjna, drzewa klasyfikacji i regresji, sztuczne sieci neuronowe.
  • Dyskusja na temat wybranych zastosowań chemometrii w przetwarzaniu danych z zakresu inżynierii biomedycznej (przykładowe zagadnienia: analiza skupień na przykładzie segmentacji nowotworów, aktywność i toksyczność nowych związków w leczeniu nowotworów, metody chemometryczne w identyfikacji źródeł pochodzenia materiałów dentystycznych, ewaluacja alternatywnych markerów chronicznej choroby alkoholowej, metody chemometryczne w kontroli składu tabletek, rozpoznawanie mowy i pisma, klasyfikacja stadium choroby np. nowotworowej lub depresji, identyfikacja jednostki chorobowej na podstawie wyniku badań diagnostycznych i wiele innych).

 

Wykłady, instrukcje do ćwiczeń, przykłady oraz zbiory danych do obliczeń dostępne na Uczelnianaej Platformie e-Learningowej AGH.

Literatura

  • Jan Mazerski, Chemometria praktyczna, Wyd. Malamut, 2009.
  • Jan Mazerski, Podstawy chemometrii, Wyd. Politechniki Gdańskiej, 2000.
  • Richard G. Brereton, Chemometrics: data analysis for the laboratory and chemical plant, Wiley, 2003.
  • Practical guide to chemometrics, ed. Paul Gemperline, Taylor&Francis, 2006.
  • Chemometria w analityce – wybrane zagadnienia, praca pod red. D. Zuby i A. Parczewskiego, Wydawnictwo Instytutu Ekspertyz Sądowych, 2008.