ISREA：ラマンスペクトルの効率的なピークを摂取するベースライン補正アルゴリズム

ラマン分光法の重要なステップは、ベースライン補正です。この手順は、残留レイリー散乱または蛍光によって生成されたバックグラウンド信号を排除します。最近、非対称損失関数に依存するベースライン補正手順が採用されています。それらは、ラマンピーク領域に侵入することから基本的にベースラインの推定値を押し下げる正のスペクトル偏差に対するペナルティを減らして動作します。ただし、多項式フィッティングとの結合は、スペクトルドメイン全体に適していない場合があり、一貫性のないベースラインを生成する可能性があります。しきい値の仕様の要件と、対応する目的関数の非概念性は、計算をさらに複雑にします。彼らの長所と短所から学習すると、3つの異なる利点があるルートエラー調整（ISREA）を備えた反復スムージングスプラインと呼ばれる新しいベースライン補正手順を開発しました。第一に、ISREAはスムージングスプラインを使用して、多項式よりも柔軟であり、スペクトルドメイン全体にわたって複雑な傾向をキャプチャできるベースラインを推定します。第二に、ISREAは非対称の平方根損失を模倣し、しきい値の必要性を削除します。最後に、ISREAは、予測エラーを繰り返し更新し、ベースラインを再調整することにより、非凸損失関数の直接最適化を回避します。シミュレートされたスペクトル、ミネラルスペクトル、透析液スペクトルを含む多種多様なスペクトルに関する広範な数値実験を通じて、イスレアはシンプルで高速であり、すべての意味のあるラマンピークを保存する一貫した正確なベースラインを生成できることを示します。

A critical step in Raman spectroscopy is baseline correction. This procedure eliminates the background signals generated by residual Rayleigh scattering or fluorescence. Baseline correction procedures relying on asymmetric loss functions have been employed recently. They operate with a reduced penalty on positive spectral deviations that essentially push down the baseline estimates from invading Raman peak areas. However, their coupling with polynomial fitting may not be suitable over the whole spectral domain and can yield inconsistent baselines. Their requirement of the specification of a threshold and the non-convexity of the corresponding objective function further complicates the computation. Learning from their pros and cons, we have developed a novel baseline correction procedure called the iterative smoothing-splines with root error adjustment (ISREA) that has three distinct advantages. First, ISREA uses smoothing splines to estimate the baseline that are more flexible than polynomials and capable of capturing complicated trends over the whole spectral domain. Second, ISREA mimics the asymmetric square root loss and removes the need of a threshold. Finally, ISREA avoids the direct optimization of a non-convex loss function by iteratively updating prediction errors and refitting baselines. Through our extensive numerical experiments on a wide variety of spectra including simulated spectra, mineral spectra, and dialysate spectra, we show that ISREA is simple, fast, and can yield consistent and accurate baselines that preserve all the meaningful Raman peaks.