Biyokimyasal işaretlerin eğrilme yöntemleri kullanılarak hizalanması
Biochemical signal alignment using warping methods
Yazar: AHMET ELBİR
Danışman: DOÇ. DR. FETHULLAH KARABİBER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Günümüzde elektronik ve bilgisayar teknolojilerinin hızlı gelişimi ile birlikte birçok farklı 
alanda elde edilen veriler bu teknolojiler sayesinde hızlı ve etkin bir şekilde işlenmekte 
ve  yapılan  analizler  neticesinde  bu  verilerden  faydalı  bilgilerin  edinilmesi  kaçınılmaz 
olmuştur.  Birçok  sayısal  işlemin  hesaplanma  süresi  ve  doğruluğu  dikkate  alındığında 
insanların  çok uzun sürelerde yapabileceği hesaplamalar artık yerini sayısal bilgisayarlara 
bırakmıştır.  Sayısal  bilgisayarlar  sayesinde  birçok  bilim  dalında  yapılan  araştırmalarda 
kullanılan verilere sayısal işaret işleme ve veri madenciliği yöntemleri uygulanarak bu 
verilerden  anlamlı  bilgiler  edinme  süreçleri  de  yeni  bilim  dallarının  ortaya  çıkmasını 
sağlamaktadır.  Hayatımızın  her  safhasında  sıklıkla  kullanılan,  birçok  araştırmaya  konu 
olan biyolojik ve kimyasal verilerden  bilgi çıkarımı yapabilmek için biyoenformatik alanı 
son  zamanlarda  sürekli  gelişim  göstermekte  ve  popüler  bir  bilim  dalı  olarak  yerini 
almaktadır.  Biyoenformatik  alanının  çalışma  alanı,  genetik  ve  deneysel  bilgilerin 
istatistik, veri madenciliği gibi hesaplama yöntemleri kullanılarak analiz edilmesi   olarak 
belirtilebilir.
Bu  alanda  genetik  bilgi  analizleri  çerçevesinde  DNA,  RNA  gibi  kalıtsal  bilgi  taşıyan 
yapıların,  proteinlerin  ve  genlerin  analizleri  gerçekleştirilirken,   deneysel  bilgi  analizi 
çerçevesinde biyoloji, kimya ve tıp gibi alanlarda yapılan deneyler sonucu elde  edilen 
verilerin veya sinyallerin işlenmesi ve bilgi çıkarımı yapılması gerçekleştirilmektedir. Bu 
sinyallerin  analiz  edilmesinde  karşılaşılan  problemlerin  çözülmesinde  sayısal  işaret 
işleme yöntemleri kullanılmaktadır. 
Deneysel olarak elde edilen tek boyutlu sinyallerin analiz edilmesi sürecinde elde edilen 
verilerin  zaman  ölçek  ve  ekseninin  bozulması  durumunda  bu  verilerden  bilgi  çıkarımı 
yapılabilmesi için sinyallerin hizalanması gerekmektedir. Bu maksatla çeşitli sebeplerle 
hatalı olarak elde edilen verilerin hizalanması için birçok teknik geliştirilmiştir. 
Dünyada sıklıkla kullanılan SHAPE tekniği ile kimyasal deneyler sonucunda elde edilen 
verilerin analizi sonucunda RNA nın ikincil yapısı öğrenilmekte ve bu şekilde virüslere etki 
edebilecek kimyasallar bulunarak ilaç üretimi yapmak mümkün olmaktadır. Bu kimyasal 
teknik  sayesinde  farklı  yoğunluktaki  kimyasal  maddelerin  RNA  üzerindeki  etkisi 
incelenmekte  ve  bunun  sonucuna  göre  özellikle  virüslerin  RNA  sına  etki  edebilecek 
kimyasalların  ve  koşulların  keşfine  olanak  sağlamaktadır.  Bu  nedenle,  elde  edilen 
yüzlerce veri setinin hızlı, etkili ve doğru bir şekilde analiz edilmesi önem kazanmaktadır. 
Sıcaklık  ve voltaj değişikliği, ölçüm cihazlarının  ölçme kabiliyetinin mükemmel olmaması, 
ölçüm  yapılacak  veri  türünün  hassasiyeti  ve  akış  oranındaki  değişiklikler  gibi  farklı 
sebeplerden  dolayı elde edilen işaretlerde zaman ötelemesi olabilmektedir. Zaman ölçek 
ve eksenlerinin farklı olmasından dolayı bu zaman serisi örneklerinin karşılaştırılması ve 
hizalanması karışık olabilmektedir. 
Bu  çalışmada  biyoenformatik  alanında  önemli  problemlerden  biri  olan  Kapiler 
elektroforez veya Kromatografi gibi deneysel tekniklerden elde edilen elektroferogram, 
kromatogram  veya  diğer  biyolojik  veri  tiplerinden  elde  edilen  işaretlerin  hizalanması 
konusunda farklı metotlar kullanılarak çözümler bulunmuş ve elde edilen bu çözümlerin 
başarısı istatistiksel metotlarla değerlendirilmiştir.
Bu  çalışmada  literatürde  sıklıkla  kullanılan  dinamik  zaman  eğrilmesi,  korelasyon 
eniyilemeli  eğrilme  ve  parametrik  zaman  eğrilmesi  yöntemleri  üzerinde  durulmuştur. 
Özellikle  en  çok  kullanılan  DTW  yönteminde  bazı  modifikasyonlar  yaparak  hizalama 
başarımı artırılmıştır. 
Gerçekleştirilen bir yazılımla elde edilen sinyallerin çeşitli yöntemlerle hizalanması, bu 
hizalama sonuçlarının yeni veriler olarak kullanıcıya görsel ve sayısal olarak sunulması ve hizalama  esnasında  kullanılan  yöntemlerin  performanslarının  karşılaştırılması 
sağlanmıştır.

Abstract:
Nowadays the data obtained from many different research fields can be processed and 
analyzed using rapidly developed electronics and computer technology to extract some 
useful  information.  Like  other  numerical  calculations  this  process  is  very  hard  to overcome for  a human. Hence  these  calculations  are accomplished  by computers  on 
behalf of human. Thanks to digital computers, digital signal processing and data mining 
techniques  are  applied  to  many  disciplines  and  then  meaningful  information  is 
extracted.  As  a  result,  new  disciplines  are  emerged.  One  of  these  disciplines  is bioinformatics which it covers knowledge discovery from biological and chemical data. 
It  deals  with  very  common  and  important  data.  Additionally  it  is  very  popular  and continuously developing discipline. Bioinformatics can be define d as analysis of genetic 
and experimental data using statistics, data mining and other techniques. 
In this field, genetic informations contains analysis of DNA, RNA and protein sequences. 
On  the  other  hand,  experimental  information  analysis  covers  processing  of  biology, chemistry  and  medicine  data  and  extracting  information  from  data.  To  deal  with problems of analyzing these signals, digital signal processing techniques are  commonly used. 
At the step of obtaining one dimensional signal and its analysis, time and scale axes can 
be  shifted.  This  problem  can  be  solved  by  aligning  signals.  At  this  point,  various 
techniques are proposed to solve this problem. 
One of the most common used technique called SHAPE biochemical experiment resulted 
data  and  that  recover  secondary  structure  of  RNA.  As  a  result  of  this  operation,  the chemical  compounds  which  affect  the  viruses  can  be  produced.  Thanks  to  this technique, the effect of different density chemical matters on RNA can be examined and according to this procedure appropriate chemicals and conditions can be discovered. At this point, alignment of hundreds of data sets in fast and accurate is very important. 
The  change  of  voltage  and  temperature,  some  weakness  of  measurement  devices, 
sensitivity of data type and difference of current rate and other reasons may cause time 
shift on obtained signals. Due to different time scale axes the comparison of these time 
series can be very complex. 
In this study, the alignment of  electropherograms, chromatograms  or other biological
data  type  which  they  obtained  from  experimental  techniques  like  capillary 
electrophoresis  or  chromatography  is  achieved.  Furthermore,  different  methods  are 
performed and obtained solutions is evaluated according to statistical methods. 
In  this  study  is  focused  on  commonly  used  warping  methods  such  as  Dynamic  Time Warping (DTW), Correlation Optimized Warping  (COW)  and Parametric Time Warping
(PTW).  Especially,  some  DTW  manipulations  are  implemented  to  increase  the 
performance of alignment.Alignment  of  obtained  signals  using various techniques  provided by  an  implemented software.  Also  alignment  results  are  presented  to  user  visually.  Additionally,  the performance of the different techniques are compared.

Key words:  Signal Alignment Algorithms, Dynamic Time Warping, Correlation Optimized 
Warping, and Parametric Time Warping.