JP5707706B2 - データ処理装置及びデータ処理プログラム - Google Patents

Description

本発明は、分光光度計やクロマトグラフ分析装置などから取得される波形データに基づいてスペクトルやクロマトグラムなどのグラフを描出する機能を有する分析装置用データ処理装置、及び、そうした機能をコンピュータ上で実現するためのデータ処理用プログラムに関する。

近年、分光光度計やクロマトグラフ分析装置を初めとする各種の分析装置では、分析により収集されたデータの処理やデータ管理などを行うためにパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと略す）が利用されるのが一般的である。このＰＣ等により具現化されるデータ処理装置では、分析の遂行に伴って順次収集されるスペクトルやクロマトグラムなどの波形データをグラフ化してモニタの画面上に描出する機能を有している。

分析者（ユーザ）は、データ処理装置により描出されたグラフを基に、得られたデータを解析する。この際、分析対象の波形（以下、「対象波形」とする）を予め実験により得られた若しくはデータベース等に記録された参照波形と比較し、参照波形に現れるピーク以外のピークが対象波形に存在するかどうかを確認する、といった作業が行われる（特許文献１）。しかしながら、これらの波形は測定条件等によってベースラインやピーク高さが変化するため、分析者が参照波形と対象波形のピークを画面上で比較する際には、以下のような手順を踏む必要がある。

(1) 参照波形と対象波形のデータを読み込み、横軸を揃えてグラフ上に重ね描き表示する。
(2) 各波形のベースラインやピーク高さを揃えるための基準となるピーク（以下、「基準ピーク」とする）を選び、この基準ピークを含む所定の領域を拡大表示する。
(3) 参照波形と対象波形の基準ピークが互いに一致するよう、対象波形（参照波形でも良い）を拡大／縮小又は移動させる。
(4) 基準ピークのベースラインとピーク高さを揃えた状態のまま、グラフを全体表示（縮小表示）する。

特開平11-304787号公報（[0004]）

通常のデータ処理装置には、複数の波形を重ね描き表示する機能や、グラフ内の所定の領域を拡大表示する機能は備わっている。また、少数ながらも、各々の波形を個別に拡大／縮小させたり、移動させたりする機能を備えたデータ処理装置もある。しかしながら、このような各々の波形の表示を個別に変えることができるデータ処理装置であっても、基準ピークを合わせる際にはユーザが手動で上記(1)〜(4)の作業を行う必要がある。こうした作業は面倒であり、しかもユーザが分析にかける時間を大幅に増加させてしまう。また、各々の波形を個別に変化させてもそのデータは装置に反映されず、その後にグラフ全体の倍率を変更したり、画面上に表示されていない領域を閲覧しようとした場合、グラフが最初の不揃いの状態に戻ってしまっていた。

本発明が解決しようとする課題は、分光光度計など各種分析装置から取得されたスペクトルやクロマトグラムなどの波形データを画面上で簡便に比較することができるデータ処理装置及びデータ処理用プログラムを提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るデータ処理装置は、
入力された複数の波形データを、横軸を合わせてグラフ上に重ね描きする描画手段と、
前記グラフの中からユーザが指定した横軸範囲を基準範囲として設定する基準範囲設定手段と、
前記基準範囲内に表示されている全波形のベースライン及びピーク高さが同時に一致するように各波形の倍率及びオフセットを算出して、算出した各波形の倍率及びオフセットの値を記憶し、前記描画手段に、それらの値に基づいて以降の描画を行い、ユーザの指示により前記グラフ全体を拡大又は縮小表示したり、前記グラフの表示領域を変更したりする場合にも前記の値に基づく描画を行うよう指示する再描画指示手段と、
を有することを特徴とする。

また、上記課題を解決するために成された本発明に係るデータ処理プログラムは、
コンピュータを、
入力された複数の波形データを、横軸を合わせてグラフ上に重ね描きする描画部、
前記グラフの中からユーザが指定した横軸範囲を基準範囲として設定する基準範囲設定部、
前記基準範囲内に表示されている全波形のベースライン及びピーク高さが同時に一致するように各波形の倍率及びオフセットを算出して、算出した各波形の倍率及びオフセットの値を記憶し、前記描画部に、それらの値に基づいて以降の描画を行い、ユーザの指示により前記グラフ全体を拡大又は縮小表示したり、前記グラフの表示領域を変更したりする場合にも前記の値に基づく描画を行うよう指示する再描画指示部、
として機能させることを特徴とする。

なお、本発明において「各波形の倍率及びオフセットを算出」するとは、基準範囲内に表示されている全ての波形のそれぞれに対して行うことに限定されない。例えば、ベースライン及びピーク高さを一致させる際の基準とした波形については倍率及びオフセットを算出しなくとも良いため、このような場合にはそれ以外の波形のそれぞれに対して倍率及びオフセットを算出し、以降の処理を行う。

本発明によれば、従来、ユーザが行っていた複数の波形データのベースラインやピーク高さを揃えるという作業が、基準範囲をグラフ内から指定するだけで自動で行うことができるため、ユーザの手間を大幅に削減することが可能となる。また、本発明により再描画されたグラフは、波形毎に算出された倍率及びオフセットに基づき変更された波形のデータから描出されるため、グラフ全体を拡大／縮小したり、グラフの表示領域を変更したりしても、各波形のベースラインやピーク高さは揃ったままで維持される。

本発明に係るデータ処理装置を備えた分析システムの一実施例を示す概略構成図。 本実施例のデータ処理装置に搭載されたデータ処理プログラムによる機能を模式的に示した図。 本実施例の波形記憶部２２の構成を示すブロック図。 本実施例の範囲指定ピーク合わせプログラムが実行する処理の一例を示すフローチャート。 データ処理プログラムの本体の機能により描画された参照スペクトルと対象スペクトルを示すグラフ。 本実施例の範囲指定ピーク合わせプログラムによる具体的な操作の手順を示す図。 本実施例の範囲指定ピーク合わせプログラムを適用した後の参照スペクトルと対象スペクトルを示すグラフ。 本実施例の範囲指定ピーク合わせプログラムを適用した後の参照スペクトルと対象スペクトルの差スペクトルを示すグラフ。

本発明に係るデータ処理装置を適用した分析システムの一実施例として、赤外分光測定を例に説明する。
図１は本実施例の分析システムの概略構成図である。この分析システムは、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ装置）２と、このＦＴＩＲ装置２から得られるデータを処理するデータ処理装置１と、から成り、両者は通信ケーブル３で接続されている。なお、データ処理装置１はＦＴＩＲ装置２の動作を制御する制御装置としての機能を併せ持っていても良い。

データ処理装置１の実体はコンピュータであり、中央演算処理装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）１０にメモリ１２、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等から成るモニタ（表示部）１４、キーボードやマウス等から成る入力部１６、ハードディスク等の大容量記憶装置から成る記憶部２０が互いに接続されている。また記憶部２０には、データ処理プログラム２１、波形記憶部２２、オペレーティングシステム（ＯＳ）２３等が備わっている。

図２は、ＣＰＵ１０がデータ処理プログラム２１を実行することにより、ソフトウェア的に具現化される機能を模式的に示した図である。データ処理プログラム２１は、そのプログラム本体３０と本発明に相当する範囲指定ピーク合わせプログラム４０とを含む。プログラム本体３０は、複数の波形データをグラフ上に重ね描きする描画機能や、グラフを拡大／縮小する機能など、従来のデータ処理プログラムが有する機能を備えている。本発明に係る範囲指定ピーク合わせプログラム４０は、このプログラム本体３０を描画部として使用する。

図３は、波形記憶部２２の構成を示すブロック図である。この波形記憶部２２は、既知物質のスペクトル（参照スペクトル）データが格納された、ライブラリとしての機能を有する参照波形記憶部５１と、ＦＴＩＲ装置２で得られた分析対象の試料のスペクトル（対象スペクトル）データを格納する対象波形記憶部５２と、範囲指定ピーク合わせプログラム４０により変更されたスペクトルデータを格納する変更波形記憶部５３と、を有している。

次に、本発明に係る範囲指定ピーク合わせプログラム４０が実行する処理の一例を、図４のフローチャートを参照しつつ説明する。

図１の分析システムを用いて例えば異物分析を行う場合、データ処理プログラム２１のプログラム本体３０は、参照波形記憶部５１の中から分析者（ユーザ）が選択した参照スペクトルデータを読み出し、該参照スペクトルデータと対象波形記憶部５２に格納された対象スペクトルデータをグラフに重ね描きして、モニタ１４の画面上に描出する、といった操作を行う（図５(a)）。

しかしながら、図５(a)に示すように、測定条件等の違いにより参照スペクトルＲと対象スペクトルＳのベースラインや倍率は一般的に異なっている。従って、実際にデータの解析を行う前に、分析者はまずこれらのスペクトルのベースライン及びピーク高さを揃える必要がある。

例えば、図５(a)のピークのうちピークＡが異物成分のピークでないことが予め分かっている場合、このピークＡを基準ピークとして参照スペクトルＲと対象スペクトルＳのベースライン及びピーク高さを揃えれば良いことが分かる。そこで、ユーザはまずプログラム本体３０の機能を使用し、ピークＡを含む領域６１を拡大表示する（図５(b)）。

次に、ユーザが入力部１６を適宜操作する（例えばモニタ１４上に表示されているアイコンをダブルクリックする）ことにより、範囲指定ピーク合わせプログラム４０を起動する（ステップＳ１）。範囲指定ピーク合わせプログラム４０が起動すると、基準範囲設定部４１は、グラフ上に基準範囲指定カーソル６２を表示する（図６(a)）。ユーザはマウス等を操作することにより基準範囲指定カーソル６２を動かし、基準ピークを一致させたい波長範囲を指定する。これにより、ユーザが指定した波長範囲が基準範囲として設定される（ステップＳ２）。

倍率・オフセット算出部４２は、ステップＳ２で設定された基準範囲内で、参照スペクトルＲと対象スペクトルＳの最大値及び最小値をそれぞれ求める（図６(b)）。そして、これらが一致するように、対象スペクトルＳの倍率とオフセットを算出する（ステップＳ３）。具体的には、対象スペクトルＳの倍率aとオフセット値bは次式により算出することができる。
a=(Rmax-Rmin)/(Smax-Smin)
b=(Rmin×Smax-Rmax×Smin)/(Smax-Smin)
ただし、Rmax, Rmin, Smax, Sminはそれぞれ基準範囲内での参照スペクトルＲの最大値及び最小値、対象スペクトルＳの最大値及び最小値である。

波形データ変更部４３は、算出された倍率a及びオフセット値bを対象スペクトルＳの各強度値に適用する（ステップＳ４）。例えばある波長λにおける対象スペクトルの強度値をS_λとしたとき、上記の倍率a及びオフセット値bを適用した強度値は
S_λ'=a×S_λ+b
となる。これを対象スペクトルデータ内の全強度値に適用すれば良い。この変更後の強度値から成るスペクトルデータは、変更波形記憶部５３に記憶される（ステップＳ５）。

再描画指示部４４は、変更波形記憶部５３に記憶されたスペクトルデータを、対象スペクトルＳの代わりにグラフ上に描画するよう、また以降の対象スペクトルの描画はこの変更波形記憶部５３に記憶されたスペクトルデータを基づいて行うよう、プログラム本体３０に指示する（ステップＳ６）。これにより、基準範囲内でピークＡのベースライン及びピーク高さを一致させたグラフを得ることができる（図６(c)）。

この図６(c)のグラフは、変更波形記憶部５３に記憶された変更後のスペクトルデータに基づいて作成されているため、プログラム本体３０の機能を用いて例えば図７のように全体表示（縮小表示）しても、ピークＡは一致したままとなる。従って、この図７のグラフから、ピークＢ及びＤにおいて対象スペクトルＳ’には参照スペクトルＲに含まれない異物のピークが重畳されていることを、ユーザは容易に知ることができる。
また、変更前のスペクトルデータは対象波形記憶部５２に保存されているため、必要なときに容易に元に戻すことができる。

なお、本実施例では対象スペクトルが１つの場合を例に説明したが、さらに多くの対象スペクトルに対して同時に本範囲指定ピーク合わせプログラムを適用することもできる。また、本実施例では、参照スペクトルを基準として対象スペクトルの倍率及びオフセット値の算出を行ったが、対象スペクトルを基準として、参照スペクトルの倍率及びオフセット値を算出するようにしても良い。さらに、基準とするスペクトルをユーザが選択できるようにしても良い。

また、ステップＳ１で行った範囲指定ピーク合わせプログラムの起動は、ピークＡを含む領域を拡大する前のグラフで行っても良い。また、本実施例ではステップＳ２における基準範囲の指定をカーソル６２を用いて行ったが、例えば数値入力で行うようにしても良い。

また、ステップＳ３における倍率及びオフセット値の算出を、上記のように基準範囲内のスペクトルの最大値・最小値を用いて行った場合、基準ピークのトップに大きなスパイクノイズがあると、そのスパイクノイズの先端を最大値と評価してしまい、倍率とオフセット値が適切に計算されなくなることがある。このような場合、最小自乗法により倍率及びオフセット値を算出するようにすることもできる。

例えば、基準範囲内での参照スペクトルＲ及び対象スペクトルＳを以下のような１次元ベクトルで表す。
r=(R₁, R₂,...,R_n)
s=(S₁, S₂,...,S_n)
ただし、R_j及びS_jは波長λ_jにおける強度値であり、各λ_jはステップＳ２で設定した波長範囲（基準範囲）内に存在するものとする。ここで、対象スペクトルＳのベクトルsに倍率a及びオフセット値bを施したベクトルをs'とすると、ベクトルs'は
s'=(a×S₁+b, a×S₂+b,...,a×S_n+b)
で表される。このベクトルs'とベクトルrとの誤差、すなわち|r-s'|が最小となるように倍率a及びオフセット値bを算出すれば、ノイズが目立つデータであっても適切に倍率及びオフセット値を算出することができる。

さらに、異物によるピークをより明確にするために、図８に示すように、参照スペクトルＲと変更後の対象スペクトルＳ’との差スペクトルをグラフ表示することもできる。

以上、本発明に係るデータ処理装置について実施例を用いて説明したが、上記は例に過ぎないことは明らかであり、本発明の趣旨の範囲内で適宜に変更や修正、又は追加を行っても構わない。例えば、本実施例では赤外分光測定を例に挙げたが、他の分光測定やクロマトグラフ分析においても本発明のデータ処理装置及びデータ処理プログラムを好適に用いることができる。

１…データ処理装置
２…フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ装置）
３…通信ケーブル
１０…ＣＰＵ
１２…メモリ
１４…モニタ
１６…入力部
２０…記憶部
２１…データ処理プログラム
２２…波形記憶部
３０…プログラム本体（描画部）
４０…範囲指定ピーク合わせプログラム
４１…基準範囲設定部
４２…倍率・オフセット算出部
４３…波形データ変更部
４４…再描画指示部
５１…参照波形記憶部
５２…対象波形記憶部
５３…変更波形記憶部
６１…領域
６２…基準範囲指定カーソル

Claims (8)

1. 入力された複数の波形データを、横軸を合わせてグラフ上に重ね描きする描画手段と、
   前記グラフの中からユーザが指定した横軸範囲を基準範囲として設定する基準範囲設定手段と、
   前記基準範囲内に表示されている全波形のベースライン及びピーク高さが同時に一致するように各波形の倍率及びオフセットを算出して、算出した各波形の倍率及びオフセットの値を記憶し、前記描画手段に、それらの値に基づいて以降の描画を行い、ユーザの指示により前記グラフ全体を拡大又は縮小表示したり、前記グラフの表示領域を変更したりする場合にも前記の値に基づく描画を行うよう指示する再描画指示手段と、
   を有することを特徴とするデータ処理装置。
2. 前記再描画指示手段における倍率及びオフセットの算出が、各波形データの最大値及び最小値に基づいて行われることを特徴とする請求項１に記載のデータ処理装置。
3. 前記再描画指示手段における倍率及びオフセットの算出が、最小自乗法に基づいて行われることを特徴とする請求項１に記載のデータ処理装置。
4. 波形間の差分をグラフ表示することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のデータ処理装置。
5. コンピュータを、
   入力された複数の波形データを、横軸を合わせてグラフ上に重ね描きする描画部、
   前記グラフの中からユーザが指定した横軸範囲を基準範囲として設定する基準範囲設定部、
   前記基準範囲内に表示されている全波形のベースライン及びピーク高さが同時に一致するように各波形の倍率及びオフセットを算出して、算出した各波形の倍率及びオフセットの値を記憶し、前記描画部に、それらの値に基づいて以降の描画を行い、ユーザの指示により前記グラフ全体を拡大又は縮小表示したり、前記グラフの表示領域を変更したりする場合にも前記の値に基づく描画を行うよう指示する再描画指示部、
   として機能させることを特徴とするデータ処理プログラム。
6. 前記再描画指示部における倍率及びオフセットの算出が、各波形の最大値及び最小値に基づいて行われることを特徴とする請求項５に記載のデータ処理プログラム。
7. 前記再描画指示部における倍率及びオフセットの算出が、最小自乗法に基づいて行われることを特徴とする請求項５に記載のデータ処理プログラム。
8. 波形間の差分をグラフ表示することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載のデータ処理プログラム。