TWI723867B

TWI723867B - 用以產生高解析度圖譜的動態數據校正方法及裝置

Info

Publication number: TWI723867B
Application number: TW109115328A
Authority: TW
Inventors: 王亦生; 蕭志豪
Original assignee: 中央研究院
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2021-04-01
Also published as: EP3966738A4; WO2020231764A1; TW202107412A; US20220100985A1; EP3966738A1

Abstract

本文揭示用於減少圖譜測量中誤差的方法和裝置。本方法藉由參考在整合所有未校正的單次掃描圖譜中所觀察到的圖譜特徵，在每個單掃描圖譜中以對齊訊號峰位置並重新計算強度的方式，而使各單掃描圖譜差異減到最小。將經校正的單掃描圖譜進行整合後，可改善解析度、信號強度和峰形。

Description

用以產生高解析度圖譜的動態數據校正方法及裝置

本揭示內容大體上係關於數據分析領域。更具體而言，本揭示內容係關於在圖譜測量中減少誤差並改善圖譜品質的數據擷取方法和裝置。

基於各種基本原理的圖譜分析法廣泛應用於各種不同目的的分析化學領域中。舉例來說，質譜法(mass spectrometry，MS)，藉由將化學物質進行電離並根據其質荷比(mass-to-charge ratio，m/z)對離子進行分選(sorting)，可以進行樣品之定性及定量分析(例如，純物質以及複雜混合物)。所得質譜(MS)的數據係以繪圖形式表示，將離子信號以質荷比的函數呈現，其可代表樣品的質量。由於MS具有各項分析能力，所以該技術特別適合用於分析生物樣品、環境物質、藥用化合物、食品等。

然而，由於每個瞬時數據擷取事件中的情況皆會具有改變，從譜儀(spectrometer)所獲得的原始圖譜通常在圖譜特徵方面會含有誤差或微小變化，這些誤差導致不同批次之間的數據抖動(fluctuation)。此種抖動接著導致整合(平均或累加等)圖譜中的訊號峰產生變形和位移。所有的分析儀器皆會對多個擷取事件的數據進行整合，藉以改善信號品質。一旦數據整合之後，使用者將無法再存取原先各別擷取事件的數據以進行修正。這種訊號峰的變形和位移將在圖譜整合之後損害圖譜的解析度和準確性，並難以用任何訊號處理方式改善經整合之圖譜的解析度和準確性。在高解析度圖譜中，這種情況尤為明顯，因為圖譜訊號峰十分銳利(sharp)，所以對不同批次之間的訊號抖動造成的影響非常敏感。

因此，有必要在圖譜進行整合之前消除每個單掃描(single-scan，SS)圖譜的瑕疵。然而，目前常用的幾種標準的校準方法並無法逐一處理每個SS圖譜的數據誤差，例如目前用於校正系統誤差的2-D對齊法(2-D alignment)，或廣義秩消法(generalized rank annihilation method)，或用於在多個圖譜經整合後回復圖譜品質的其他數據擷取分析方法(例如，I Coshift、相關性優化整形(correlation optimized warping)、參數化時間整形(parametric time warping)，和半參數化時間整形(semi-parametric time warping))。

有鑑於此，相關領域亟需一種通用的有效方法來提高圖譜品質，其藉由在圖譜進行整合之前修正誤差(特別是以快速和即時(real-time)的方式)，從而改善隨後的圖譜數據判讀。

下面呈現了本揭示內容的簡化摘述，以便向讀者提供基本的理解。該摘述並非本揭示內容的廣泛概述，並且其不標識本發明的關鍵/重要元素或描繪本發明的範圍。其唯一目的是以簡化形式呈現本文所揭示的一些概念，作為稍後呈現的更詳細描述的序言。

本揭示內容的目的在於提供一種動態數據校正(dynamic data correction，DDC)方法和用於執行該方法的裝置，從而減少誤差並產生高解析度和高品質的圖譜。此方法不同於其他，僅在保存經整合的數據之後進行校正(也稱為離線校正方法)的數據校正方法。本揭示內容的DDC方法可以高速執行，因為校正動作是僅於接近訊號峰的數據點局部執行，而不是像大多數校正方法是全面應用於整個圖譜。這種藉由分析每個單一擷取事件的方式使得DDC方法有能力來執行高速即時數據校正。此種獨特的功能無法以其他的傳統數據校正方法實現。

因此，本揭示內容的其中一態樣係針對一種用以從個別自一譜儀所獲得的複數個SS圖譜中產生一高解析度圖譜的電腦實施方法。該方法包含： (a) 提供一參考圖譜(reference spectrum)； (b) 在一第一間隔(Δe)內，從該複數個SS圖譜中的一個中找出一個由複數個數據點所組成的目標訊號峰(target peak)，其中各該數據點具有一第一x座標位置，其中該第一間隔(Δe)係由該參考圖譜中的相應參考訊號峰(reference peak)在峰高1-99％處的寬度所決定； (c) 將步驟(b)所找出的目標訊號峰與該相應參考訊號峰對齊； (d-1) 將該數據點通過內插法來移動，其中該數據點個別是高於一閾值，該閾值是相對於步驟(c)對齊目標訊號峰之最高點(peak maximum)的值所設定，並以該第一x座標位置重新採樣該數據點；或 (d-2) 將該數據點隨著該目標訊號峰的最高點進行線性移動，其中該數據點個別是高於一閾值，該閾值是相對於步驟(c)對齊目標訊號峰之最高點的值所設定，並以該第一x座標位置重新採樣該數據點； (e) 重複步驟(b)至(d-1)或步驟(b)至(d-2)，直到在步驟(b)中未找出目標訊號峰，並產生一經校正的SS圖譜； (f) 重複步驟(e)多次以產生複數個經校正的SS圖譜；以及 (g) 將步驟(f)的複數個經校正的SS圖譜進行整合，藉以產生該高解析度圖譜。

根據本揭示內容的一些具體實例，在步驟(a)中，該參考圖譜係藉由整合該複數個SS圖譜所產生。

根據本揭示內容的一些具體實例，在步驟(b)中，該目標訊號峰的強度最大值(maximum intensity)係高於該背景噪訊(background noise)。

根據本揭示內容的某些較佳具體實例，在步驟(b)中，如果在該第一間隔(Δe)內找出一個以上的訊號峰，則選擇該強度最高或最接近該參考訊號峰的訊號峰作為該目標訊號峰。

根據本揭示內容的某些較佳具體實例，在步驟(c)中，將步驟(b)所找出的目標訊號峰的最高點與該相應參考訊號峰的最高點對齊。根據本揭示內容的某些具體實例，在步驟(c)中，將步驟(b)所找出的目標訊號峰的最高點與該參考訊號峰在峰高1-99％(例如，80％)處的寬度之中心對齊。

根據本揭示內容的某些具體實例，在步驟(d-1)或(d-2)中，僅將在一第二間隔(Δb)內的目標訊號峰中的數據點用於內插(例如，樣條內插(spline interpolation))計算，其中該第二間隔(Δb)係大於或等於該第一間隔(Δe)。

根據本揭示內容的某些具體實例，步驟(d-1)的內插是樣條內插。

根據本揭示內容的一些較佳具體實例，在步驟(d-1)或(d-2)中，該閾值是設定在步驟(c)所對齊的目標訊號峰的最高點的值的1％；較佳地，該閾值是設定在步驟(c)所對齊的目標訊號峰的最高點的值的20％。

根據本揭示內容的一些具體實例，該SS圖譜是質譜(mass spectrum)、光譜(optical spectrum)、核磁共振圖譜(nuclear magnetic resonance spectrum)、離子遷移率圖譜(ion-mobility spectrum)、拉塞福背向散射光譜(Rutherford backscattering spectrum)、中子三軸光譜(neutron triple-axis spectrum)，和拉曼光譜(Raman spectrum)。

本揭示內容的另一態樣係關於一種用於產生高解析度圖譜的裝置。該裝置包含一處理器和一可操作地連接到該處理器的有形記憶體(tangible memory)。該有形記憶體係配置來儲存複數個單掃描(SS)圖譜和用以實現上述本揭示內容的DDC方法的指令，而該處理器係配置來執行該儲存在該有形記憶體中的指令。

參考以下結合附圖考慮的詳細說明，本揭示內容的許多附帶特徵和優點將更形明白。

為使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施例提出說明性的描述；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。實施方式中涵蓋多個具體實施例的特徵以及用以建構與操作這些具體實施例的方法步驟與其順序。然而，亦可利用其他具體實施例來達成相同或均等的功能與步驟順序。

I. 定義

為方便起見，本說明書、實施例及所附申請專利範圍中所使用的特定專有名詞集中在此。除非本說明書另有定義，此處所使用的科學與技術詞彙之含義與本發明所屬技術領域中具有通常知識者所理解與慣用的意義相同。並且，在不和上下文衝突的情形下，本說明書所使用的單數名詞涵蓋該名詞的複數型，而所使用的複數名詞時亦涵蓋該名詞的單數型。具體而言，在本說明書與申請專利範圍中，單數形式「一」(a及an)包括複數參考值，但依據上下文而另有指示者除外。此外，在本說明書與申請專利範圍中，「至少一」與「一或多」表述方式的意義相同，兩者都代表包含了一、二、三或更多。

雖然用以界定本發明較廣範圍的數值範圍與參數皆是約略的數值，此處已盡可能精確地呈現具體實施例中的相關數值。然而，任何數值本質上不可避免地含有因個別測試方法所導致的標準偏差。並且，在此處，「約」(about)一詞通常係指實際數值在一特定數值或範圍的正負10％、5％、1％或0.5％之內。或者是，「約」一詞代表實際數值落在平均值的可接受標準誤差內，視本發明所屬技術領域中具有通常知識者的考量而定。除實施例以外，或除非另有明確的說明，當可理解此處所用的所有範圍、數量、數值與百分比(例如，用以描述材料用量、時間長短、溫度、操作條件、數量比例等)均經過「約」的修飾。因此，除非另有相反的說明，本說明書與附隨申請專利範圍所揭示的數值參數皆為約略的數值，並可視需求而更動。至少，應將此等數值參數理解為所指出的有效位數與套用一般進位法所得到的數值。

如本文所使用之「圖譜」(spectrum)一詞，是指一種可以沿著連續變量(例如，電子光譜中的能量，或質譜中的質荷比)來被測量或分解的信號。圖譜也被稱為一種信號(作為一種應變量函數)的圖形表示。可藉由本揭示內容的DDC方法處理的例示性圖譜包括，但不限於，質譜、在紫外光、可見光或紅外光範圍內的光學(即，吸收、螢光、散射、發射、磷光(phosphorescence))光譜、核磁共振圖譜、離子遷移率圖譜、拉塞福背向散射光譜、中子三軸光譜，和拉曼光譜。在一個較佳具體實例中，本揭示內容的圖譜是質譜。

如本文所使用之「質譜法」(mass spectrometry或MS)一詞，是指一種根據化合物的質量來鑑定該化合物的分析技術。MS是指一種根據離子的質荷比(或m/z)來過濾、檢測和測量該離子的方法。MS技術通常包括(1)將化合物電離(ionizing)以形成帶電化合物；(2)在質量分析儀中分離或分選該帶電化合物；以及(3)檢測所分離的帶電化合物並計算質荷比。可藉由任何合適的方法將化合物電離、分離和檢測。「質譜儀」(mass spectrometer)是執MS分析的儀器，通常包括電離器、質量分析器和離子檢測器。通常來說，質譜儀是將一或多個感興趣的分子電離，然後將離子引入質量分析器中，由於磁場和/或電場的作用，離子在該質譜儀中會遵循在空間中的一條取決於質量(m)和電荷(z)的路徑。在一個特定實施例中，本揭示內容所執行的MS係藉由MALDI-TOF質譜儀來實施。

「解析力」(resolving power或RP)一詞，是指一種對可區分本揭示內容的圖譜數據中兩個彼此非常接近的訊號峰的能力的度量。舉例來說，在質譜中，RP是一種可區分兩個質荷比稍微不同的訊號峰的能力。

「信噪比」(signal-to-noise ratio或SNR)一詞，是指一種將一欲求的信號的量與該背景噪訊的量進行比較的度量。在本揭示內容的圖譜中，可預先決定SNR的閾值，以便據此區分一訊號峰值是信號還是噪訊。

如本文所使用之「目標訊號峰」(target peak)一詞，是指其強度最大值(y座標)高於預定的SNR閾值(即，高於背景噪訊)的訊號峰。而且，在本揭示內容的參考圖譜中的目標訊號峰係稱為「參考訊號峰」(reference peak)。此外，「參考位置」(reference position)一詞是指參考訊號峰所在的位置。

如本文中所使用之「重新採樣」(resampling)一詞，是指在對齊之後的數據點提取(retrieve)其原始x座標位置(即，第一x座標位置)為x座標位置。或者是，「以第一x座標位置重新採樣數據點」(resampling the data points with the first x coordinate)是指「將數據點與該第一x座標位置相關聯」(associating the data points with the first x coordinate)。

如本文所使用之「誤差」(error)一詞，是指在參考圖譜中的間隔Δe內，SS圖譜中的目標訊號峰在x座標位置上的偏差。

如本文所使用之「整合」(integrate、integrating和/或integration)一詞，是指將複數個SS圖譜(其可藉由或不藉由本發明方法校正)疊合，並且可以任何偏好的(preferential)權重因子來進行相加或平均該疊合數據點，以得出該複數個SS圖譜總和的整合圖譜。或者是，「整合」一詞也可指對複數個SS圖譜的每個總加的(summated)數據點進行平均，從而得出一整合圖譜。

II. 發明說明

2.1. 本發明動態數據校正 (DDC) 方法

本發明的目的在於藉由本發明動態數據校正(DDC)方法來調整每個SS圖譜中的目標訊號峰的數據點，從複數個SS圖譜中產生出一高解析度和高品質的圖譜。本發明DDC方法包含以下步驟： (a) 提供一參考圖譜； (b) 在一第一間隔(Δe)內，從該複數個SS圖譜中的一個中找出一個由複數個數據點所組成的目標訊號峰，其中各該數據點具有一第一x座標位置，其中該第一間隔(Δe)係由該參考圖譜中的相應參考訊號峰在峰高1-99％處的寬度所決定； (c) 將步驟(b)所找出的目標訊號峰與該相應參考訊號峰對齊； (d-1) 將該數據點通過內插法來移動，其中該數據點個別是高於一閾值，該閾值是相對於步驟(c)所對齊的目標訊號峰之最高點的值所設定，並以該第一x座標位置重新採樣數據點；或 (d-2) 將該數據點隨著該目標訊號峰的最高點進行線性移動，其中該數據點個別是高於一閾值，該閾值是相對於步驟(c)所對齊的目標訊號峰之最高點的值所設定，並以該第一x座標位置重新採樣數據點； (e) 重複步驟(b)至(d-1)或步驟(b)至(d-2)，直到在步驟(b)中未找出目標訊號峰，並產生一經校正的SS圖譜； (f) 重複步驟(e)多次以產生複數個經校正的SS圖譜；以及 (g) 對步驟(f)的複數個經校正SS圖譜進行整合，藉以產生該高解析度圖譜。

在開始本發明方法之前，先從譜儀獲得複數個SS圖譜，該譜儀可以是質譜儀(例如，飛行時間式質譜儀(time-of-flight mass spectrometer)或磁譜儀(magnetic spectrometer))；在紫外光、可見光或紅外光範圍內的光學(即，吸收、螢光、散射、發射、磷光)光譜儀；核磁共振儀；離子遷移率譜儀(ion-mobility spectrometer)；拉塞福背向散射儀；中子三軸光譜儀；及拉曼光譜儀。根據本揭示內容的一個較佳實施例，所述SS圖譜係來自一質譜儀。在本揭示內容的一個工作實施例中，該複數個SS圖譜分別來自MALDI-TOF質譜儀，且每個圖譜均含有誤差。

首先，在步驟(a)中，是提供一參考圖譜，其中該參考圖譜可以來自任何來源(例如，對同一個感興趣的目標蛋白的所進行的其他批次實驗)，或是可藉由整合在同一批實驗中的複數個SS圖譜來產生。在一個較佳具體實例中，參考圖譜係藉由整合複數個SS圖譜而產生。所得參考圖譜具有多個訊號峰，並且將提取出該些強度最大值(y座標)高於參考圖譜中所預定的SNR閾值的訊號峰(即參考訊號峰)，以產生一參考訊號峰列表，其中，所預定的SNR閾值(信號：噪訊)可約為1.1：1至1000：1，例如：1.1：1、1.2：1、1.3：1、1.4：1、1.5：1、2：1、2.5：1、3：1、3.5：1、4：1、4.5：1、5：1、5.5：1、6：1、6.5：1、7：1、7.5：1、8：1、8.5：1、9：1、9.5：1、10：1、11：1、12：1、13：1、14：1、15：1、16：1、17：1、18：1、19：1、20：1、21：1、22：1、23：1、24：1、25：1、26：1、27：1、28：1、29：1、30：1、31：1、32：1、33：1、34：1、35：1、36：1、37：1、38：1、39：1、40：1、41：1、42：1、43：1、44：1、45：1、46：1、47：1、48：1、49：1、50：1、51：1、52：1、53：1、54：1、55：1、56：1、57：1、58：1、59：1、60：1、61：1、62：1、63：1、64：1、65：1、66：1、67：1、68：1、69：1、70：1、71：1、72：1、73：1、74：1、75：1、76：1、77：1、78：1、79：1、80：1、81：1、82：1、83：1、84：1、85：1、86：1、87：1、88：1、89：1、90：1、91：1、92：1、93：1、94：1、95：1、96：1、97：1、98：1、99：1、100：1、200：1、300：1、400：1、500：1、600：1、700：1、800：1、900：1或1000：1。在一個工作實施例中，SNR閾值是3：1。

接下來，繼續在SS圖譜中找出可滿足下述基準的目標訊號峰(步驟(b))。所述SS圖譜可以是或不是該用於整合到參考圖譜中的多個SS圖譜之一。SS圖譜中的每個目標訊號峰都有其自己的x和y座標。在步驟(b)中，一個合格的目標訊號峰需滿足在一第一間隔(Δe)內作為一目標訊號峰的基準，其中該第一間隔(Δe)係由該參考圖譜中的相應參考訊號峰在峰高(y座標)1-99％處的寬度來決定，例如：1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％、60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％，或由使用者任意決定。在一個工作實施例中，該第一間隔(Δe)是該參考訊號峰在峰高50％處的寬度。此外，一個合格的目標訊號峰的強度最大值(y座標)應該高於背景噪訊，以避免將該背景噪訊納入本揭示內容DDC方法的校準計算中。如果在該Δe內有一個以上的合格訊號峰，則在大多數情況下選擇最高的訊號峰作為目標訊號峰，將得到本揭示內容的DDC方法所獲得的最佳結果。或者是，如果在該第一間隔(Δe)內找到一個以上的訊號峰，則選擇最接近該參考訊號峰的峰作為目標訊號峰，該等實施方式也可適用於本發明方法中。

在步驟(c)中，將步驟(b)所找出的目標訊號峰與該相應參考訊號峰對齊。在一些具體實例中，該目標訊號峰的最高點可與該相應參考訊號峰的最高點對齊(情況1)。在其他具體實例中，該目標訊號峰的最高點可與該相應參考訊號峰的最高點以外的點對齊(或是該目標訊號峰的最高點以外的點可與該相應參考訊號峰的最高點對齊；情況2)。再在其他具體實例中，該目標訊號峰的最高點以外的點可與該相應參考訊號峰的最高點以外的點對齊(情況3)。現在參考圖1，該圖是關於如何執行本發明DDC方法的步驟(c)至(e)的示意圖。在該目標訊號峰的最高點與該相應參考訊號峰的最高點對齊的情況下(即情況1)，該過程如圖1之圖(b)所示。在該目標訊號峰的最高點不與該相應參考訊號峰的最高點對齊的情況下(包括情況2或3)，則該目標訊號峰的最高點或該目標訊號峰於峰高1-99％處的點(在左側或右側)可與該參考訊號峰於峰高1-99％處的點(在左側或右側)對齊；該兩者是峰高的例如1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％、60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％處。

目標訊號峰與相應參考訊號峰之間的其他對齊方式也可以運用在本DDC方法中。舉例來說，該目標訊號峰在某個峰高(例如，峰高的1-100％)的寬度之中心可與該參考訊號峰在某個峰高(例如，峰高的1-99％)的寬度之中心對齊。在目標訊號峰和參考訊號峰中所述的某個峰高均可以是峰高的1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％、60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％，以及在目標訊號峰中的峰高的100％。在一個工作實施例中，該目標訊號峰在峰高100％處的寬度之中心(即訊號峰最高點)係與該參考訊號峰在峰高80％處的寬度之中心對齊。無論是上述任何情況，將目標訊號峰與相應參考訊號峰對齊後，可通過步驟(d-1)或(d-2)中所述的方式調整目標訊號峰的數據點。

為了調整目標訊號峰之其餘部分的數據密度，可以任意地定義一第二間隔Δb，其中該Δb和上述的Δe可以共享或不共享相同的中心位置，而該Δb的間隔可等於或大於該Δe的間隔(如下所述)，如圖1之圖(a)所示。Δb(其等於或大於Δe)建立了一個緩衝區，允許在藉由本發明DDC方法進行校準計算的期間改變數據密度(圖1之圖(c))。根據一些具體實例，Δb係基於參考訊號峰在某個峰高處(其可由信號強度閾值來定義)的寬度來決定。在一些具體實例中，Δb比Δe大了約1-5倍，例如，Δb比Δe大了約1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.5、4.0、4.5或5.0倍。在一個工作實施例中，Δb比Δe大1.5倍。然後，將數據點通過內插法來調整，其中該數據點個別是高於一閾值，該閾值是在Δb內相對於該目標訊號峰之最高點的值所設定，然後，將所有數據點重新採樣到第一x座標位置(即步驟(d-1))。如上所述，數據點的閾值可以是該目標訊號峰之最高點的值的1-99％，例如該目標訊號峰之最高點的值的1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％、45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％、60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％；較佳是該目標訊號峰之最高點的值的1％；更佳是該目標訊號峰之最高點的值的20％；再更佳是該目標訊號峰之最高點的值的50％。在某些具體實例中，數據點的閾值是該目標訊號峰之最高點的值的1％。在某些具體實例中，數據點的閾值是該目標訊號峰之最高點的值的20％。

例示性之可用於計算目標訊號峰的數據點的內插法包括，但不限於，分段常數內插(piecewise constant interpolation)(例如，最近鄰內插(nearest neighbor interpolation)、線性內插(linear interpolation)、二次內插(quadratic interpolation)、三次內插(cubic interpolation)、單調三次內插(monotone cubic interpolation)、樣條內插、卡特姆-羅姆樣條內插(Catmull-Rom spline interpolation)、雙線性內插(bilinear interpolation)、雙三次內插(bicubic interpolation))；多項式內插(polynomial interpolation)(例如，多項式內插、范德蒙矩陣(vandermonde matrix)，拉格朗日內插(Lagrange interpolation)、牛頓內插(Newton interpolation)、涅維爾內插(Neville interpolation))；以及加權平均內插(weighted average interpolation)(例如，徑向基函數內插(radial basis function interpolation)、B樣條內插(B-spline interpolation)、反距離加權內插(inverse distance weighting interpolation)(謝帕德內插(Shepard interpolation)))。在一個工作實施例中，在Δb內除目標訊號峰中心(即訊號峰最高點)數據點以外的目標訊號峰數據點，係藉由樣條內插法計算(圖1之圖(d))，該樣條內插法為內插法的其中一種，其中插值(interpolant)是分段的多項式，即所謂樣條。在另一個實施例中，可使用等距(equally-spaced)、加權平均(weighted-averaged)、多項式回歸(polynomial regression)等方法或其他方法來執行內插。

或者是，在將步驟(b)所找出的目標訊號峰與該相應參考訊號峰對齊(步驟(c))之後，將該數據點隨著該目標訊號峰的最高點進行線性移動，其中該數據點個別是高於一閾值，該閾值是相對於該已對齊的目標訊號峰之最高點的值所設定，將該數據點隨該目標訊號峰的最高點線性地移動(即步驟(d-2))。該數據點的閾值係如上所述。藉由步驟(d-1)或(d-2)中所述的方式，將在步驟(c)中的在Δb內的目標訊號峰之數據點的位置以其原始x座標位置重新採樣(或相關聯)。如此，也可使用傳統數據分析方法來分析或處理經校正的目標訊號峰和整個經校正的SS圖譜，因為它們在以本發明DDC方法處理後仍保留了原始的x座標位置。

然後，可重複步驟(b)至(d-1)或步驟(b)至(d-2)，以找出並校正在同一SS圖譜中的下一個目標訊號峰，直到同一SS圖譜中不再有目標訊號峰可被找出為止，從而產生一個經校正的SS圖譜(即，步驟(e))。

接下來，可重複步驟(e)多次以產生複數個經校正的SS圖譜(即，在步驟(f)中)。圖2提供了在經由本發明DDC方法處理之前(圖(a))和之後(圖(b))的複數個SS圖譜的示意圖。如圖2之圖(b)所示，SS圖譜中的誤差被大幅地降低。然後可對這些經校正的SS圖譜進行整合，以產生一個經整合的高解析度和高品質圖譜(步驟(g))(參見圖2之圖(b))。

2.2 用以執行本發明 DDC 方法的裝置

本發明亦涵蓋一種用以執行本發明DDC方法並藉此產生一高解析度和高品質圖譜的裝置。該裝置包含一處理器和一可操作地連接至該處理器的有形記憶體。該有形記憶體係配置來儲存複數個單掃描(SS)圖譜和用來實現本發明DDC方法的指令，而該處理器係配置來藉由實施以下動作以執行儲存在有形記憶體中的指令： (a) 提供一參考圖譜； (b) 在一第一間隔(Δe)內，從該複數個SS圖譜中的一個中找出一個由複數個數據點所組成的目標訊號峰，其中各該數據點具有一第一x座標位置，其中該第一間隔(Δe)係由該參考圖譜中的相應參考訊號峰在峰高1-99％處的寬度所決定； (c) 將步驟(b)所找出的目標訊號峰與該相應參考訊號峰對齊； (d-1) 將該數據點通過內插法來移動，其中該數據點個別是高於一閾值，該閾值是相對於步驟(c)所對齊目標訊號峰之最高點的值所設定，並以該第一x座標位置重新採樣該數據點；或 (d-2) 將該數據點隨著該目標訊號峰的最高點進行線性移動，其中該數據點個別是高於一閾值，該閾值是相對於步驟(c)所對齊目標訊號峰之最高點的值所設定，並以該第一x座標位置重新採樣該數據點； (e) 重複步驟(b)至(d-1)或步驟(b)至(d-2)，直到在步驟(b)中未找出目標訊號峰，並產生一經校正的SS圖譜； (f) 重複步驟(e)多次以產生複數個經校正的SS圖譜；以及 (g) 將步驟(f)的複數個經校正的SS圖譜進行整合，藉以產生該高解析度圖譜。

根據本揭示內容的一些具體實例，該有形記憶體可以是可移動式或不可移動式的記憶體組件。適用於本發明裝置的記憶體組件的例子包括，但不限於，隨機存取記憶體(random access memory，RAM)、唯讀記憶體(read-only memory，ROM)、快閃記憶體(flash memory)(例如，安全數位(secure digital，SD)記憶卡、小型SD記憶卡和/或微型SD記憶卡)、磁記憶體(magnetic memory)、光學記憶體(optical memory)、通用序列匯流排(universal serial bus，USB)記憶裝置、硬碟記憶體(hard disk memory)、外部記憶體(external memory)，以及其他類型的電腦可讀記憶體媒介。在實施時，本揭示內容的記憶體可包括可移動式積體電路卡(integrated circuit card，ICC)記憶體，例如由用戶辨識模組(subscriber identity module，SIM)卡、通用用戶辨識模組(universal subscriber identity module，USIM)卡、通用積體電路卡(universal integrated circuit card，UICC)提供的記憶體。在一些具體實例中，本揭示內容的記憶體是RAM。在其他具體實例中，有形記憶體是硬碟。根據本揭示內容的具體實例，本發明裝置中可存在一或多個有形記憶體，且用於處理和儲存圖譜的記憶體可以是相同或不同。在一些具體實例中，待處理的圖譜和經處理的圖譜係儲存在一個記憶體中，而用來執行DDC方法(即，用於處理該圖譜的方法)的指令則是儲存在另一個記憶體中。在其他具體實例中，圖譜和指令都儲存在同一個記憶體組件中。

例示性之適用於執行該些儲存在有形記憶體中的指令，以實施上述之本發明DDC方法的處理器包括，但不限於，中央處理單元(central processing unit，CPU)、圖形處理單元(graphics processing unit，GPU)、張量處理單元(tensor processing unit，TPU)、神經處理單元(neural processing unit，NPU)、物理處理單元(physics processing unit，PPU)、數位信號處理器(digital signal processor，DSP)、圖像信號處理器(image signal processor，ISP)、協同處理元件(synergistic processing element，SPU或SPE)，和現場可程式閘陣列(field-programmable gate array，FPGA)。在一個具體實例中，本揭示內容的處理器是GPU。

下文提出多個實施例來說明本揭示內容的某些態樣，以利本發明所屬領域技術具有通常知識者實踐本發明。不應將此等實施例視為對本發明範圍的限制。據信本發明所屬領域技術具有通常知識者在閱讀此處提出的說明後，可在不需過度解讀的情形下，完整利用並實踐本揭示內容。本文引用的所有公開文獻在此藉由引用而併入全文。

實施例

實施例 1 校正由 MALDI-TOF MS 所獲得的 P14R 質譜

本實施例的目的在於研究本發明DDC方法對改善圖譜品質(例如，分析圖譜的RP、準確性和信號強度)的功效。結果如圖3所示。

首先參考圖3之圖(a)，該圖是一個利用MALDI-TOF質譜儀所獲得的多肽標準品P14R(MW＝1532.12)的50個未校正的SS質譜，並經整合後所得到的質譜。該質譜儀是以一種高解析度的模式來操作，其中操作條件為：離子加速電壓(ion acceleration voltage)為23千伏(kV)、提取電壓(extraction voltage)為1.5千伏，以及提取延遲期間(extraction delay)為892奈秒(ns)。在整合50個未校正SS質譜後，該質譜大約包含5個訊號峰，分別位於1534、1535、1536、1537和1538質荷比(m/z)的附近。訊號峰寬度(FWHM)約為0.038質荷比，對應於約40,000的質量解析度(MRF)，其中最高的訊號峰的信號強度為892的任意單位。

現在參考圖3之圖(b)，該圖是一個將上述之經校正的50個SS質譜進行整合後的校正質譜，其中每個質譜均已藉由本揭示內容之DDC方法進行校正。該經校正的質譜顯示出其MRP和信號強度均有顯著改善。在此質譜中，有5個目標訊號峰被找出，並依次以本發明DDC方法進行校正。在經校正之後，訊號峰寬度為約0.024質荷比，對應於約65,000的MRP，其中最高的訊號峰的信號強度為931的任意單位。所得質譜證實了本發明DDC方法大幅地增強了MRP，並稍微改善了SNR。在本實施例中，圖譜的相對同位素比也經由本發明DDC方法獲得了改善。舉例來說，第一個重同位素(heavy isotope)的相對信號強度的標準偏差降低了一個以上的數量級。

圖4提供了另一個實施例來說明使用本發明DDC方法來改善質譜的解析度和準確性，其中圖(a)和(b)繪示該藉由本發明DDC方法處理之前和之後的緩激肽質譜，該方法依以下校正參數：(a)將該目標訊號峰在峰高100％處(即訊號峰最高點)的寬度之中心與該參考訊號峰在該峰高80％處的寬度之中心對齊，以及(b)使用信號強度閾值高於該參考訊號峰為4(任意單位)的寬度來定義Δb。這些結果表明，使用本發明DDC方法並配合各種校正參數，可以獲得高解析度和高品質的質譜。

總結上述，本揭示內容所提供的DDC方法可用於使誤差減到最小，藉此改善圖譜(質譜)的解析力(RP)、準確性和信號強度。由於在每個SS圖譜中即時校正誤差，因此本DDC方法是一種半即時(semi-real-time)的校正方法。而且，本方法對於處理高解析度圖譜數據特別有效。對於大多數圖譜數據來說，本方法可將RP增強50％以上。本方法簡單易行，可在線上和離線狀態下以高速執行分析，並且還可以整合到大多數商用分析儀器中，並不會造成額外的硬體成本。

當可理解，上文有關實施方式的敘述僅作為例示性的實施方式，本發明所屬技術領域中具有通常知識者當可對其進行各種更動與修飾。上文的說明書、實施例及實驗數據對本揭示內容作為例示性實施方式中的結構及使用方式做出完整的描述。儘管上文已描述本揭示內容中各樣的實施方式有一定程度的特性，或參照一或多個個別的實施方式，本發明所屬領域技術具有通常知識者仍可在不悖離本揭示內容精神及範圍情形下，對已揭示的實施方式進行眾多修改。

無

參考以下說明、所附申請專利範圍和附圖，將更能理解本發明的特徵與優點，其中：

圖1是一示意圖，說明本揭示內容的DDC方法的主要訊號峰的對齊流程。圖(a)是一個在參考圖譜中用來定義Δe和Δb的代表性參考訊號峰；圖(b)是一個在未校正的SS圖譜中在訊號峰對齊之前的代表性目標訊號峰；圖(c)是一個在同一SS圖譜中在訊號峰對齊之後的與圖(b)相同的目標訊號峰；圖(d)是訊號峰對齊之後的重採樣程序。圖(a)至(d)中的虛線表示參考位置，圖(b)中的箭頭表示圖(b)的目標訊號峰之中心的位移距離，圖(c)和(d)中的黑色數據點表示藉由本揭示內容的DDC方法所調整的數據點，圖(d)中的箭頭表示在重採樣程序之後獲得的數據點；

圖2是一示意圖，說明使用本揭示內容的DDC方法之前(圖(a))和之後(圖(b))對該經整合的圖譜的解析度的影響。在單掃描數據中的訊號峰的垂直虛線表示峰的位置；

圖3為根據本揭示內容的一個具體實例的結果，說明一多肽標準品P14R的原始和校正後的質譜，其中該質譜是藉由基質輔助雷射脫附/游離飛行時間(matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight，MALDI-TOF)MS所獲得。圖(a)是在整合50個未校正的SS圖譜後的原始整合圖譜；圖(b)是將圖(a)的50個SS圖譜整合後的校正圖譜，其中每個圖譜均使用本揭示內容的DDC方法校正；以及

圖4為根據本揭示內容的一個具體實例的結果，說明一緩激肽(Bradykinin)的原始和校正後的質譜，其中該質譜是藉由MALDI-TOF MS所獲得。圖(a)是在整合未校正的SS圖譜後的原始圖譜；圖(b)是將圖(a)的SS圖譜整合後的校正圖譜，其中每個圖譜均使用本揭示內容的DDC方法校正。

Claims

一種用以從複數個單掃描(single-scan，SS)圖譜(spectrum)中產生一高解析度圖譜的電腦實施方法，包含：(a)提供一參考圖譜(reference spectrum)；(b)在一第一間隔(△e)內，從該複數個SS圖譜中的一個中找出一個由複數個數據點所組成的目標訊號峰(target peak)，其中各該數據點具有一第一x座標位置，其中該第一間隔(△e)係由該參考圖譜中的相應參考訊號峰(reference peak)在峰高1-99%處的寬度所決定；(c)將步驟(b)所找出的目標訊號峰與該相應參考訊號峰對齊；(d-1)將該數據點通過內插法來移動，其中該數據點個別是高於一閾值，該閾值是相對於步驟(c)所對齊的目標訊號峰之最高點(peak maximum)的值所設定，並以該第一x座標位置重新採樣該數據點；或(d-2)將該數據點隨著該目標訊號峰的最高點進行線性移動，其中該數據點個別是高於一閾值，該閾值是相對於步驟(c)所對齊的目標訊號峰之最高點的值所設定，並以該第一x座標位置重新採樣該數據點；(e)重複步驟(b)至(d-1)或步驟(b)至(d-2)，直到在步驟(b)中未找出目標訊號峰，並產生一經校正的SS圖譜；(f)重複步驟(e)多次以產生複數個經校正的SS圖譜；以及 (g)將步驟(f)的複數個經校正的SS圖譜進行整合，藉以產生該高解析度圖譜。
如請求項1所述之方法，其中在步驟(a)中，該參考圖譜係藉由整合該複數個SS圖譜所產生。
如請求項1所述之方法，其中在步驟(b)中，該目標訊號峰的強度最大值(maximum intensity)係高於該背景噪訊(background noise)。
如請求項1所述之方法，其中在步驟(b)中，如果在該第一間隔(△e)內找出一個以上的訊號峰，則選擇該強度最高的訊號峰作為該目標訊號峰。
如請求項1所述之方法，其中在步驟(b)中，如果在該第一間隔(△e)內找出一個以上的訊號峰，則選擇該最接近該參考訊號峰的峰作為該目標訊號峰。
如請求項1所述之方法，其中在步驟(c)中，將步驟(b)所找出的目標訊號峰的最高點與該相應參考訊號峰的最高點對齊。
如請求項1所述之方法，其中在步驟(c)中，將步驟(b)所找出的目標訊號峰的最高點與該參考訊號峰在峰高1-99%處的寬度之中心對齊。
如請求項7所述之方法，其中在步驟(c)中，將步驟(b)所找出的目標訊號峰的最高點與該參考訊號峰在峰高80%處的寬度之中心對齊。
如請求項1所述之方法，其中在步驟(d-1)中，僅將在一第二間隔(△b)內的目標訊號峰中的數據點用於內插計算，其中該第二間隔(△b)係大於或等於該第一間隔(△e)。
如請求項1所述之方法，其中步驟(d-1)的內插是樣條內插(spline interpolation)。
如請求項1所述之方法，其中該閾值是設定在步驟(c)所對齊的目標訊號峰的最高點的值的1%。
如請求項1所述之方法，其中該閾值是設定在步驟(c)所對齊的目標訊號峰的最高點的值的20%。
如請求項1所述之方法，其中各該複數個SS圖譜是質譜(mass spectrum)、光譜(optical spectrum)、核磁共振圖譜(nuclear magnetic resonance spectrum)、離子遷移率圖譜 (ion-mobility spectrum)、拉塞福背向散射光譜(Rutherford backscattering spectrum)、中子三軸光譜(neutron triple-axis spectrum)，或拉曼光譜(Raman spectrum)。
一種用於產生一高解析度圖譜的裝置，包含一處理器和一可操作地連接到該處理器的有形記憶體(tangible memory)，其中該有形記憶體係配置來儲存複數個單掃描(SS)圖譜和用以產生該高解析度圖譜的指令；以及該處理器係配置來藉由實施以下動作以執行儲存在該有形記憶體中的指令：(a)提供一參考圖譜；(b)在一第一間隔(△e)內，從該複數個SS圖譜中的一個中找出一個由複數個數據點所組成的目標訊號峰，其中各該數據點具有一第一x座標位置，其中該第一間隔(△e)係由該參考圖譜中的相應參考訊號峰在峰高1-99%處的寬度所決定；(c)將步驟(b)所找出的目標訊號峰與該相應參考訊號峰對齊；(d-1)將該數據點通過內插法來移動，其中該數據點個別是高於一閾值，該閾值是相對於步驟(c)所對齊的目標訊號峰之最高點的值所設定，並以該第一x座標位置重新採樣該數據點；或(d-2)將該數據點隨著該目標訊號峰的最高點進行線性移動，其中該數據點個別是高於一閾值，該閾值是相對於步驟(c)所對齊的目標訊號峰之最高點的值所設定，並以該第一x座標位置重新採樣該數據點；(e)重複步驟(b)至(d-1)或步驟(b)至(d-2)，直到在步驟(b)中未找出目標訊號峰，並產生一經校正的SS圖譜；(f)重複步驟(e)多次以產生複數個經校正的SS圖譜；以及(g)將步驟(f)的複數個經校正的SS圖譜進行整合，藉以產生該高解析度圖譜。
如請求項14所述之裝置，其中在步驟(a)中，該參考圖譜係藉由整合該儲存在有形記憶體中的複數個SS圖譜所產生。
如請求項14所述之裝置，其中在步驟(b)中，該目標訊號峰的強度最大值係高於該背景噪訊。
如請求項14所述之裝置，其中在步驟(b)中，如果在該第一間隔(△e)內找出一個以上的訊號峰，則選擇該強度最高的訊號峰作為該目標訊號峰。
如請求項14所述之裝置，其中在步驟(b)中，如果在該第一間隔(△e)內找出一個以上的訊號峰，則選擇該最接近該參考訊號峰的峰作為該目標訊號峰。
如請求項14所述之裝置，其中在步驟(c)中，將步驟(b)所找出的目標訊號峰的最高點與該相應參考訊號峰的最高點對齊。
如請求項14所述之裝置，其中在步驟(c)中，將步驟(b)所找出的目標訊號峰的最高點與該參考訊號峰在峰高1-99%處的寬度之中心對齊。
如請求項20所述之裝置，其中在步驟(c)中，將步驟(b)所找出的目標訊號峰的最高點與該參考訊號峰在峰高80%處的寬度之中心對齊。
如請求項14所述之裝置，其中在步驟(d-1)中，僅將在一第二間隔(△b)內的目標訊號峰中的數據點用於內插計算，其中該第二間隔(△b)係大於或等於該第一間隔(△e)。
如請求項14所述之裝置，其中步驟(d-1)的內插是樣條內插。
如請求項14所述之裝置，其中該閾值是設定在步驟(c)所對齊的目標訊號峰的最高點的值的1%。
如請求項14所述之裝置，其中該閾值是設定在步驟(c)所對齊的目標訊號峰的最高點的值的20%。
如請求項14所述之裝置，其中各該複數個SS圖譜是質譜、光譜、核磁共振圖譜、離子遷移率圖譜、拉塞福背向散射光譜、中子三軸光譜，或拉曼光譜。