Raman spectroscopy enables non-destructive, label-free molecular analysis with high specificity, making it a powerful tool for biomedical diagnostics. However, its application to biological tissues is challenged by inherently weak Raman scattering and strong fluorescence background, which significantly degrade signal quality. In this study, we present a simulation-driven denoising framework that combines a statistically grounded noise model with deep learning to enhance Raman spectra acquired under fluorescence-dominated conditions. We comprehensively modeled major noise sources. Based on this model, we generated biologically realistic Raman spectra and used them to train a cascaded deep neural network designed to jointly suppress stochastic detector noise and fluorescence baseline interference. To evaluate the performance of our approach, we simulated human skin spectra derived from real experimental data as a validation case study. Our results demonstrate the potential of physics-informed learning to improve spectral quality and enable faster, more accurate Raman-based tissue analysis.


翻译:拉曼光谱能够实现非破坏性、无标记的高特异性分子分析,使其成为生物医学诊断的有力工具。然而,其在生物组织中的应用受到固有弱拉曼散射和强荧光背景的挑战,这些因素会显著降低信号质量。在本研究中,我们提出了一种仿真驱动的去噪框架,该框架将基于统计的噪声模型与深度学习相结合,以增强在荧光主导条件下获取的拉曼光谱。我们全面建模了主要噪声源。基于此模型,我们生成了生物学上真实的拉曼光谱,并用其训练一个级联深度神经网络,该网络旨在联合抑制随机探测器噪声和荧光基线干扰。为了评估我们方法的性能,我们以源自真实实验数据的人体皮肤光谱仿真作为验证案例研究。我们的结果证明了物理信息学习在提高光谱质量、实现更快速、更准确的基于拉曼的组织分析方面的潜力。

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