CN108918499A - 拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法，包括：第一步：对原始拉曼图谱进行平滑，通过中间值比两边值大，求得平滑后的拉曼波峰，通过中间值比两边值小，求得平滑后的波谷，得到平滑后的拉曼图谱；第二步：对平滑后的拉曼区域进行滑动窗口式的线性拟合，获得拟合后的拉曼基线；第三步：去除拟合后的拉曼基线中的荧光包；第四步：原始拉曼峰图谱减去步骤三获得的去除荧光包的拉曼基线，即得到最终的去除拉曼基线漂移的拉曼图谱。该方法能够保证校正过程中的稳定性，加快基线校正的速度。

Description

拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法

技术领域

本发明涉及光学领域中的拉曼基线漂移的处理方法，具体是指拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法。

背景技术

拉曼光谱在生物分析和检测领域有重要作用。近年来，拉曼光谱被运用于细胞的分类和分析中。这往往需要更加准确的数据来进行算法分析。在拉曼检测中，背景荧光是一种最普遍的背景干扰光，背景荧光外观通常比拉曼峰要宽得多，看起来就像是拉曼光谱缓慢变化的基线。背景荧光会导致拉曼基线发生漂移，从而导致拉曼数据的不精确。

常见的基线校正方法有求导、多项式拟合、小波变换等。Savitzky—Golay导数光谱是比较常用的导数光谱，它是根据一系列给定的光谱点拟合一个多项式，计算数据段的中点处拟合多项式的导数。然而导数光谱用于基线校正会降低信噪比或导致原始光谱变形。多项式拟合的基线校正方法是从光谱中选取拟合数据点，再根据光谱的特点定义合适的拟合阶数，然后根据最小二乘原理计算拟合数据点的最佳逼近函数。然而拟合阶数的难以确定，将会增加运算时间，同时拟合基线会因为拟合阶数的改变而发生振荡。小波变换在荧光包存在问题上，会导致荧光背景的残留。

目前小波变化在拉曼中的基线校正是普遍的，通过小波变化进行高低频的分离，同时采用最小二乘法原理拟合数据点，去除荧光背景对光谱的干扰。这种方法的使用在专利201310094703.0的一种拉曼光谱预处理方法中，也有所提及和使用。

目前的小波变换去除拉曼基线虽然在荧光造成的基线偏移上有一定的作用，但是在荧光包的处理上存在问题，不能很好的去除荧光包。

发明内容

本发明的目的是提供拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法，该方法能够保证校正过程中的稳定性，加快基线校正的速度。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步：对原始拉曼图谱进行平滑，通过中间值比两边值大，求得平滑后的拉曼波峰，通过中间值比两边值小，求得平滑后的波谷，得到平滑后的拉曼图谱；

第二步：对平滑后的拉曼区域进行滑动窗口式的线性拟合，获得拟合后的拉曼基线；

第三步：去除拟合后的拉曼基线中的荧光包；

第四步：原始拉曼峰图谱减去步骤三获得的去除荧光包的拉曼基线，即得到最终的去除拉曼基线漂移的拉曼图谱。

本发明中，所述第二步的具体过程如下：选择平滑后的拉曼图谱中横坐标为X的波谷，下一个波谷的横坐标为X1，下一个波谷的横坐标为X2，下一个波谷的横坐标为X3，求得横坐标为X的波谷与横坐标为X1的波谷相连的直线与y轴负半轴之间的夹角的余弦值记为a1，求得横坐标为X的波谷与横坐标为X2的波谷相连的直线与y轴负半轴之间的夹角的余弦值记为a2，比较a1与a2的大小，若a1>a2，则选择横坐标为X的波谷与横坐标为X1的波谷进行线性拟合；若a1<a2，继续向下比较，求得横坐标为X的波谷与横坐标为X3的波谷相连的直线与y轴负半轴之间的夹角的余弦值记为a3，若a2>a3，不再继续比较，则选择横坐标为X的波谷与横坐标为X2的波谷进行线性拟合；若a2<a3，则继续向下比较，直至出现a(N)>a(N+1)，N为横坐标为X的波谷下的第N个波谷，则选择横坐标为X的波谷与横坐标为X(N)的波谷进行线性拟合，得到拟合后的拉曼基线，继续以横坐标X(N)为波谷起点，重复上述步骤，直到所有波谷都被遍历，获得最终拟合的拉曼基线，线性拟合均采用现有最小二乘法的拟合方法。

所述第三步的具体过程如下：拟合后的拉曼基线内的波谷可能存在荧光包，需要去除，设置一个荧光系数的阖值，如果波谷的荧光系数超过这个阖值，则该波谷会被视为荧光包，

当荧光系数大于阖值时，拟合后的拉曼基线进行上拉来去除荧光包，获得去除荧光包的拉曼基线。

本发明的方法在校正拉曼基线漂移的过程中，不会出现拟合过度或者欠拟合的情况，保证了校正过程中的稳定性，因为是线性拟合，所以不需要确定拟合的阶数，因此大大的加快了基线校正的速度。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法中对平滑后的拉曼区域进行滑动窗口式的线性拟合，获得拟合后的拉曼基线的图示，为平滑后的拉曼图谱与其拟合基线的复合图，其中，连续曲线为平滑后的拉曼图谱，点划曲线为平滑后的拉曼图谱的拟合基线，通过比较两个波谷与y负半轴连线的余弦值，找出适合进行线性拟合的两个波谷的位置；

图1A是图1中平滑后的拉曼图谱；

图1B是图1中平滑后的拉曼图谱的拟合基线；

图2是本发明拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法中去除拟合后的拉曼基线中的荧光包的图示；为有荧光包的平滑后的拉曼图谱的拟合基线与其拟合基线的复合图，其中，连续曲线为有荧光包的平滑后的拉曼图谱，点划曲线为有荧光包的平滑后的拉曼图谱的拟合基线，该图为有荧光的平滑后的拉曼图谱的拟合基线效果图，从图中可以看出，平滑后拉曼图谱的荧光包被很好的拟合，而拉曼峰没有出现过拟合和欠拟合的情况；

图2A是图2中有荧光包的平滑后的拉曼图谱；

图2B是图2中有荧光包的平滑后的拉曼图谱的拟合基线；

图3是本发明拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法中获得去除荧光包的拉曼基线的图示；为有荧光包的拉曼图谱与其拟合基线的复合图，其中，连续曲线为有荧光包的拉曼图谱，点划曲线为有荧光包的拉曼图谱的拟合基线，将获得的基线与拉曼图谱进行作图，从图中可以看出，拉曼图谱的荧光包被很好的拟合，而拉曼峰也没有出现过拟合和欠拟合的情况；

图3A是图3中有荧光包的拉曼图谱；

图3B是图3中有荧光包的拉曼图谱的拟合基线；

图4是本发明拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法中基线校正以后的拉曼图谱，通过拉曼图谱减去平滑后拉曼图谱的拟合基线从图中可以看出，荧光包被去除，而拉曼峰强度并未出现实质上的损失。

具体实施方式

本发明拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法，包括如下步骤：

第一步：对原始拉曼图谱进行平滑，通过中间值比两边值大，求得平滑后的拉曼波峰，通过中间值比两边值小，求得平滑后的波谷，得到平滑后的拉曼图谱；

第二步：对平滑后的拉曼区域进行滑动窗口式的线性拟合，获得拟合后的拉曼基线；

选择平滑后的拉曼图谱中横坐标为X的波谷，下一个波谷的横坐标为X1，下一个波谷的横坐标为X2，下一个波谷的横坐标为X3，求得横坐标为X的波谷与横坐标为X1的波谷相连的直线与y轴负半轴之间的夹角的余弦值记为a1，求得横坐标为X的波谷与横坐标为X2的波谷相连的直线与y轴负半轴之间的夹角的余弦值记为a2，比较a1与a2的大小，若a1>a2，则选择横坐标为X的波谷与横坐标为X1的波谷进行线性拟合；若a1<a2，继续向下比较，求得横坐标为X的波谷与横坐标为X3的波谷相连的直线与y轴负半轴之间的夹角的余弦值记为a3，若a2>a3，不再继续比较，则选择横坐标为X的波谷与横坐标为X2的波谷进行线性拟合；若a2<a3，则继续向下比较，直至出现a(N)>a(N+1)，N为横坐标为X的波谷下的第N个波谷，则选择横坐标为X的波谷与横坐标为X(N)的波谷进行线性拟合，得到拟合后的拉曼基线，继续以横坐标X(N)为波谷起点，重复上述步骤，直到所有波谷都被遍历，获得最终拟合的拉曼基线，线性拟合均采用现有最小二乘法的拟合方法；

如图1、图1A、图1B所示，以(x＝1651)处的波谷为例，我们通过两个波谷的线性拟合作为拉曼基线，该拉曼的下一个波谷为(x＝1607)，但是这个波谷并不合适作为线性拟合的波谷，因为这时拉的基线会出现欠拟合的情况，而下一个波谷(x＝1554)适合作为线性拟合的波谷，下一个波谷(x＝1522)并不适合作为线性拟合的波谷，因为拉曼基线会拉到拉曼图谱上方，而出现拉曼基线的过拟合。

判断(x＝1651)与哪个波谷进行线性拟合，求得(x＝1651)与(x＝1607)的直线与y负半轴的Cos记a1(a1为-0.906)，求得(x＝1651)与(x＝1554)的直线与y负半轴的Cos记a2(a2为-0.293)，比较a1与a2的大小，a1<a2，继续向下比较，求得(x＝1651)与(x＝1522)的直线与y负半轴的Cos记为a3(a3为-0.515)，因为a2>a3，那么此时不再继续比较，我们选择(x＝1651)和(x＝1544)处的波谷进行线性拟合。

这样做的好处：可以防止拉曼出现欠拟合，同时又不会因为基线上漂，出现过拟合的情况。能够很好的实现和去除拉曼的基线漂移。

第三步：去除拟合后的拉曼基线中的荧光包；

拟合后的拉曼基线内的波谷可能存在荧光包，需要去除。

如图2、图2A、图2B所示，在拉曼分区后得到的(x＝1242)波谷与(x＝1406)波谷的区域存在明显的拉曼荧光包，这样的荧光包实际并不存在拉曼峰，但是如果不能通过基线去除的话，会影响到后续的数据分析。

设置一个荧光系数的阖值，数值为1.5，如果波谷的荧光系数超过这个阖值，则该波谷会被视为荧光包，不对称系数的公式中基础高度为0.03。

当荧光系数大于阖值时，拟合后的拉曼基线进行上拉来去除荧光包，获得去除荧光包的拉曼基线，如图3、图3A、图3B所示；

第四步：原始拉曼峰图谱减去步骤三获得的去除荧光包的拉曼基线，即得到最终的去除拉曼基线漂移的拉曼图谱，去除后的拉曼图谱如图4所示。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步：对原始拉曼图谱进行平滑，通过中间值比两边值大，求得平滑后的拉曼波峰，通过中间值比两边值小，求得平滑后的波谷，得到平滑后的拉曼图谱；

第二步：对平滑后的拉曼区域进行滑动窗口式的线性拟合，获得拟合后的拉曼基线；

第三步：去除拟合后的拉曼基线中的荧光包；

第四步：原始拉曼峰图谱减去步骤三获得的去除荧光包的拉曼基线，即得到最终的去除拉曼基线漂移的拉曼图谱。

2.根据权利要求1所述的拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法，其特征在于，所述第二步的具体过程如下：选择平滑后的拉曼图谱中横坐标为X的波谷，下一个波谷的横坐标为X1，下一个波谷的横坐标为X2，下一个波谷的横坐标为X3，求得横坐标为X的波谷与横坐标为X1的波谷相连的直线与y轴负半轴之间的夹角的余弦值记为a1，求得横坐标为X的波谷与横坐标为X2的波谷相连的直线与y轴负半轴之间的夹角的余弦值记为a2，比较a1与a2的大小，若a1>a2，则选择横坐标为X的波谷与横坐标为X1的波谷进行线性拟合；若a1<a2，继续向下比较，求得横坐标为X的波谷与横坐标为X3的波谷相连的直线与y轴负半轴之间的夹角的余弦值记为a3，若a2>a3，不再继续比较，则选择横坐标为X的波谷与横坐标为X2的波谷进行线性拟合；若a2<a3，则继续向下比较，直至出现a(N)>a(N+1)，N为横坐标为X的波谷下的第N个波谷，则选择横坐标为X的波谷与横坐标为X(N)的波谷进行线性拟合，得到拟合后的拉曼基线，继续以横坐标X(N)为波谷起点，重复上述步骤，直到所有波谷都被遍历，获得最终拟合的拉曼基线，线性拟合均采用现有最小二乘法的拟合方法。

3.根据权利要求2所述的拉曼图谱中去除拉曼基线漂移的方法，其特征在于，所述第三步的具体过程如下：拟合后的拉曼基线内的波谷可能存在荧光包，需要去除，设置一个荧光系数的阖值，如果波谷的荧光系数超过这个阖值，则该波谷会被视为荧光包，

当荧光系数大于阖值时，拟合后的拉曼基线进行上拉来去除荧光包，获得去除荧光包的拉曼基线。