一種在不均勻磁場下獲取高分辨核磁共振譜圖的方法
【專利摘要】一種在不均勻磁場下獲取高分辨核磁共振譜圖的方法，涉及核磁共振譜圖。先施加一個射頻脈沖，將磁化矢量從Z軸旋轉(zhuǎn)到XY平面，在某一方向施加相干梯度的同時進行演化，演化結束后施加一個重聚脈沖，采集磁共振信號；施加相干梯度的方式及強度；決定施加相干梯度的方向，以半高寬LW衡量磁場不均勻的程度，所研究磁性核的旋磁比為γ，樣品的有效檢測長度為L，則所施加的梯度強度設為LW/(γL)，對梯度強度進行增減，得到修正的磁共振信號，再進行傅里葉變換，獲得核磁共振梯度與不均勻磁場相干譜圖；利用模式識別算法識別相干譜圖并記錄譜圖譜峰分布信息，并對相干譜圖進行校正；對校正的譜圖進行累積投影，獲取高分辨一維核磁共振譜圖。
【專利說明】—種在不均勻磁場下獲取高分辨核磁共振譜圖的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及核磁共振譜圖，尤其是涉及一種在不均勻磁場下獲取高分辨核磁共振譜圖的方法。

【背景技術】
[0002]高分辨核磁共振技術作為一種強大的非侵入式檢測手段在化學、生物代謝分析醫(yī)學和材料學等領域獲得了廣泛的應用。自核磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)開始，各種各樣的磁共振被相繼開發(fā)并應用于不同科研領域的實際研究中。在這些技術中，高分辨一維磁共振譜的測量有著不可替代的重要性和必要性。然而，高分辨一維核磁共振譜的獲取受限于磁場均勻度，在許多情況下，足夠高的磁場均勻度是很難甚至是不可能獲得的。這些情況包括單邊磁體核磁共振(Bliimich B, Perlo J, Casanova F.Mobile single-sidedMIR.Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, 2008, 52(4):197-26
9.)，生物醫(yī)學中不同組織間磁化率差異，石油勘探中的巖石樣品，電磁鐵產(chǎn)生的磁場及化學反應體系等等。目前有些方法可用于獲取高分辨核磁共振譜圖。魔角旋轉(zhuǎn)技術(Hu JZ, Sears JA, Mehta HS, Ford JJ, Kwak JH, Zhu K, Wang Y, Liu J, Hoyt Dff, PedenCHF.A large sample volume magic angle spinning nuclear magnetic resonanceprobe for in situ investigat1ns with constant flow of reactants.PhysicalChemistry Chemical Physics, 2012，14:2137-2143.)通過以魔角進行高速的旋轉(zhuǎn)來平均磁場的不均勻度，從而獲得高分辨磁共振譜；然而高速的旋轉(zhuǎn)給樣品本身帶來了破壞，甚至在某些特定情況下，樣品本身是不能被旋轉(zhuǎn)的。分子內(nèi)零量子相干技術(Pouzard
G,Sukumar S，Hall LD.High resolut1n zero quantum transit1n(two-dimens1nal)nuclear magnetic resonance spectroscopy:spectral analysis.Journal of theAmerican Chemical Society, 1981, 103:4209-4215.)和自旋回波相關譜技術(HallLD, Norwood TJ.Measurement of high-resolut1n NMR spectra in an inhomogeneousmagnetic field.Journal of the American Chemical Society, 1987, 109:7579-7581.)通過記錄標量耦合自旋間的化學位移差，消除不均勻磁場的影響。為克服分子間零量子技術及自旋回波相關譜技術只能提供化學位移差的缺點，利用遠程偶極場有效距離短、能提供高分辨化學位移信息的分子間多量子相干技術(Vathyam S，Lee S，WarrenWS.Homogeneous NMR spectra in inhomogeneous fields.Science, 1996, 272:92-96.)(Chen Z, Chen Zff, Zhong JH.High-resolut1n NMR spectra in inhomogeneous fields viaIDEAL(Intermolecular Dipolar-1nteract1n Enhanced All Lines)method.Journal ofthe American Chemical Society, 2004，126:446-447.)獲得了極大的發(fā)展。由于分子間信號的信噪比低，在實際應用中在一定程度上受限于信噪比。此外，通過設計特殊的射頻脈沖，產(chǎn)生的射頻場匹配不均勻磁場來獲取高分辨譜圖(Meriles CA, Sakellar1u D, Heise
H,MouleAJ,Pines A.Approach to high-resolut1n ex situ NMR spectroscopy.Science, 2001，293:82-85.)。這種方法需要先驗的不均勻磁場的分布信息，所借助的射頻脈沖也比單脈沖實驗等利用的脈沖復雜得多。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供基于譜線增寬相干的一種在不均勻磁場下獲取高分辨核磁共振譜圖的方法。
[0004]本發(fā)明包括以下步驟:
[0005]I)先施加一個射頻脈沖，將磁化矢量從Z軸旋轉(zhuǎn)到XY平面，然后在某一方向施加相干梯度的同時進行演化，演化結束后施加一個重聚脈沖，而后采集磁共振信號；
[0006]2)根據(jù)不均勻磁場的大小選擇施加相干梯度的方式及強度；根據(jù)場圖，可決定施加相干梯度的方向，以半高寬(記為LW，單位Hz)衡量磁場不均勻的程度，所研究磁性核的旋磁比為Y，樣品的有效檢測長度為L，則所施加的梯度強度可設置為LW/ (YL),再根據(jù)所得譜圖的實際效果，對梯度強度進行增減，得到修正的磁共振信號；
[0007]3)對步驟2)得到的修正的磁共振信號進行傅里葉變換，可以獲得核磁共振梯度與不均勻磁場相干譜圖；
[0008]4)利用模式識別算法識別相干譜圖并記錄譜圖譜峰分布信息；
[0009]5)根據(jù)步驟4)記錄的譜圖譜峰分布信息，對相干譜圖進行校正；
[0010]6)對校正的譜圖進行累積投影，獲取高分辨一維核磁共振譜圖。
[0011]在步驟I)中，所述某一方向為X方向、Y方向或Z方向。
[0012]在步驟I)中，所述施加一個射頻脈沖的角度可以是180度整數(shù)倍以外的任意角度。
[0013]在步驟2)中，所述施加相干梯度的方式及強度時根據(jù)磁場不均勻性的方向分布及程度以不同的形式施加不同的相干梯度，若待研究的不均勻體系內(nèi)存在小標量偶合，則可利用時間自由演化的方式施加相干梯度，從而進行標量偶合放大；若不需要放大標量偶合時，則可利用梯度強度線性增加的方式施加相干梯度，從而保持標量大小。
[0014]在步驟4)中，所述模式識別算法識別相干譜圖并記錄譜圖譜峰分布信息的具體方法可為:提取數(shù)據(jù)源矩陣輪廓，生成二值輪廓圖片M，以I來填充M中輪廓所包圍的閉合區(qū)域；對M進行圖形膨脹操作，使得靠近的輪廓連接到一起，所形成的圖像記為BW;找出并提取圖像BW中所有的凸多邊形，以凸多邊形所包圍的區(qū)域記為Mask，得到多個Mask矩陣；將Mask矩陣與BW相乘得到每個多邊形區(qū)域的局部矩陣，求矩陣內(nèi)非零點的橫坐標均值，得到非零點在縱向上的分布，即得到中心線坐標，最終用平移操作對齊中心線，完成模式識別校正。
[0015]作為優(yōu)選，根據(jù)不同的實際情況選擇不同的方式施加相干梯度。每一種施加相干梯度的方式對應的采樣時間不相同。同時，相干譜圖所包含的信號側重點不同。
[0016]核磁共振的信號在不均勻磁場下，由于譜線增寬相互混疊而無法識別，因此本發(fā)明借助于梯度相干，可改變譜線增寬的方向及方式，從而避免混疊的發(fā)生，得到不混疊的相干磁共振譜圖。
[0017]本發(fā)明提供了一種在不均勻磁場下獲取高分辨核磁共振譜圖的方法。該方法先施加一個射頻脈沖，將磁化矢量從Z軸旋轉(zhuǎn)到XY平面，然后在X方向、Y方向和Z方向中的某一方向施加一定強度的梯度的同時進行一段演化。演化后，施加一個重聚脈沖，從而改變標量偶合與化學位移在譜圖中的空間分布。最后，進行采樣。對采集到的數(shù)據(jù)進行多維傅里葉變換，得到梯度與不均勻磁場相干譜圖。應用模式識別算法分析得到的相干譜圖，得到譜線的分布信息。根據(jù)分布信息，計算相干譜圖恢復需要的信息，完成譜圖校正，從而得到高分辨的磁共振波譜。本發(fā)明在研究標量偶合系統(tǒng)上提供了兩種選擇:若干倍放大標量偶合或者不放大標量偶合。在實際的應用中，可根據(jù)需要選用。
[0018]本發(fā)明的主要優(yōu)點為:第一、提供靈活的標量偶合放大功能，可根據(jù)研究體系標量偶合的特點選用；第二、序列本身涉及的脈沖少，并且不涉及復雜的脈沖形式，對硬件的要求低；第三、對脈沖角度的不完美不敏感，能在脈沖角度有偏差的情況下獲得相干譜圖；第四、由于不涉及復雜的信號調(diào)制過程，所產(chǎn)生的相干譜圖重建后具有可量化性。本發(fā)明的技術效果是能在不均勻磁場下獲得高分辨可量化的磁共振譜圖。獲得的高分辨譜圖有助于在不均勻體系中的化學分析。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為實施例中使用的采集信號LB1-1的序列圖。
[0020]圖2為實施例中使用的采集信號LB1-2的序列圖。
[0021]圖3為實施例中使用的采集信號LB1-3的序列圖。
[0022]圖4為由LB1-1序列所采得的相干譜圖。
[0023]圖5經(jīng)模式識別校正后得到相干譜圖。
[0024]圖6為相干譜圖圖4取對角線跡時所得到的高分辨一維譜。
[0025]圖7為模式識別處理后的相干譜圖圖5沿著間接維Fl進行累加投影得到的高分辨一維譜。
[0026]圖8為調(diào)偏Zl線圈造成的不均勻磁場下獲得的單脈沖譜圖。所有的譜圖對應的實驗均在同樣的不均勻磁場下完成。
[0027]在圖4?8中使用的樣品為三溴丙酸乙酯與丁酮1:1的混合溶液。
[0028]LB1-1間接維設置一定程度混疊得到的不均勻磁場下的三溴丙酸乙酯及丁酮混合溶液的核磁共振譜圖:
[0029]圖9為LB1-1間接維有一定混疊時獲得的譜圖。
[0030]圖10為圖9經(jīng)過折疊校正處理后得到的譜圖。
[0031]圖11為圖10經(jīng)過模式識別處理后獲得的譜圖。
[0032]圖12為圖11圖累加投影后獲得的高分辨一維譜。
[0033]圖13為不均勻磁場下采集得到的單脈沖譜。
[0034]圖14為由LB1-2序列所采得的相干譜圖。
[0035]圖15經(jīng)模式識別校正后得到相干譜圖。
[0036]圖16為相干譜圖圖14取水平中心線跡時所得到的高分辨一維譜。
[0037]圖17為模式識別處理后的相干譜圖圖15沿著間接維Fl進行累加投影得到的高分辨一維譜。
[0038]圖18為調(diào)偏Zl線圈造成的不均勻磁場下獲得的單脈沖譜圖；所有的譜圖對應的實驗均在同樣的不均勻磁場下完成。
[0039]圖19為由LB1-3序列所采得的相干譜圖。
[0040]圖20經(jīng)模式識別校正后得到相干譜圖。
[0041]圖21為相干譜圖圖19取對角線跡時所得到的高分辨一維譜。
[0042]圖22為模式識別處理后的相干譜圖圖20沿著Fl進行累加投影得到的高分辨一維譜。
[0043]圖23為調(diào)偏Zl線圈造成的不均勻磁場下獲得的單脈沖譜圖；所有的譜圖對應的實驗均在同樣的不均勻磁場下完成。
[0044]在圖14?23中使用的樣品為三溴丙酸乙酯與丁酮1:1的混合溶液。
[0045]圖24單脈沖序列獲得的譜圖。
[0046]圖25由LB1-1采得，經(jīng)模式識別處理后得到的高分辨一維譜。
[0047]圖26由LB1-2采得，經(jīng)模式識別處理后得到的高分辨一維譜。
[0048]圖27由LB1-3采得，經(jīng)模式識別處理后得到的高分辨一維譜。
[0049]圖24?27為包含Z方向I到7階磁場不均勻性時利用本發(fā)明提供的序列采得的三溴丙酸乙酯與丁酮混合溶液的核磁共振譜圖。

【具體實施方式】
[0050]下文結合附圖和實施例，對本發(fā)明做進一步說明:
[0051]本實施例使用配備三維梯度場的瓦里安Varian500MHz磁共振儀器,樣品為三溴丙酸乙酯與丁酮1:1混合溶液。使用的脈沖序列如圖1?3所示。
[0052]磁場不均勻是通過調(diào)偏Z方向的Zl勻場線圈實現(xiàn)的。在這種不均勻磁場下，傳統(tǒng)的單脈沖序列采到如圖8的低分辨波譜，譜線增寬發(fā)生混疊，無法從譜圖中辨識出譜線的條線及中心。利用本發(fā)明中的LB1-1序列，如圖1所示，施加的干擾梯度強度為0.0586高斯/厘米，貫通整個自由演化時間(h)。間接維Fl的采樣數(shù)字分辨率為2Hz，直接維F2的采樣數(shù)字分辨率為0.5Hz。整個LB1-1實驗的采樣時間約為7min。把LB1-1得到的數(shù)據(jù)(參見圖4和6)進行模式識別處理恢復出高分辨譜如圖5和7所示。
[0053]為縮短采樣時間，在進行LB1-1實驗時，在間接維引入一定程度的混疊。此時仍然保證間接維的數(shù)字采樣分辨率為2Hz，可知間接維所需要的采樣點減小，進而節(jié)約了采樣時間。此外，直接維的采樣數(shù)字分辨率為0.5Hz，施加的干擾梯度強度為0.0586高斯/厘米，貫通整個自由演化時間(tl)。實驗的采樣時間約為3min。所得到的數(shù)據(jù)(圖9)先進行FOC折疊校正(圖10)，經(jīng)校正后經(jīng)模式識別處理得到高分辨譜圖如圖11和12所示。對比同樣磁場下采到的單脈沖譜如圖13可知，分辨率得到了很大的改善。
[0054]為縮短采樣時間且同時不需要FOC校正，可利用本發(fā)明中的LB1-2序列，如圖2所示。LB1-2序列中的相干梯度分為前后兩段施加，這兩個相干梯度極性相反、強度相等。相干梯度的強度為0.0243高斯/厘米，間接維Fl和直接維F2的采樣數(shù)字分辨率分別為2Hz和0.5Hz，實驗的采樣時間約為2min。利用LB1-2采樣的數(shù)據(jù)(參見圖14和16)進行相關的數(shù)據(jù)處理后，得到高分辨的一維投影譜如圖15和17所示；同樣磁場條件下得到的單脈沖譜如圖18所示。
[0055]由于LB1-1和LB1-2都具有放大標量偶合的作用,在某些不需要放大標量偶合的應用場合不能提供最優(yōu)的效果。此時，可利用本發(fā)明中的LB1-3序列，如圖3所示。該實驗中，相干梯度不再以時間線性延長的方式施加，而改為強度線性增強的方式施加。相干梯度的取值為-3.9067高斯/厘米到3.9067高斯/厘米，步進為0.0391高斯/厘米。將LB1-3得到的數(shù)據(jù)(參見圖19和21)經(jīng)模式識別處理后，得到如圖20和22的高分辨一維譜；此時，單脈沖譜為圖23。
[0056]為驗證本發(fā)明在更復雜的不均勻磁場下的效果，同時調(diào)偏Z方向的所有勻場線圈，重復LB1-l、LB1-2和LB1-3的實驗，得到結果如圖25?27所示。與此不均勻磁場下得到的單脈沖譜圖24相比，保留了高分辨的信息。
[0057]綜上所述，本發(fā)明提供了一種基于譜線增寬與梯度相干在不均勻磁場中獲取高分辨核磁共振譜圖的方法，通過在施加相干梯度，改變了譜線的增寬方向，再借助于以模式識別為特點的數(shù)理后處理，則可恢復出高分辨譜圖。在此發(fā)明的基礎上，可以發(fā)展出基于譜線增寬與梯度相干方法的高維磁共振譜。且相干梯度可以施加于脈沖序列的采樣期，以達到類似的效果。利用本發(fā)明所獲得的高分辨譜圖有助于在不均勻體系中的化學分析。
[0058]以上所述，僅為本發(fā)明較佳實施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實施的范圍，即依本發(fā)明專利范圍及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種在不均勻磁場下獲取高分辨核磁共振譜圖的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)先施加一個射頻脈沖，將磁化矢量從Z軸旋轉(zhuǎn)到XY平面，然后在某一方向施加相干梯度的同時進行演化，演化結束后施加一個重聚脈沖，而后采集磁共振信號； 2)根據(jù)不均勻磁場的大小選擇施加相干梯度的方式及強度；根據(jù)場圖，可決定施加相干梯度的方向，以半高寬LW衡量磁場不均勻的程度，所研究磁性核的旋磁比為Y，樣品的有效檢測長度為L，則所施加的梯度強度可設置為LW/( Y L)，再根據(jù)所得譜圖的實際效果，對梯度強度進行增減，得到修正的磁共振信號；所述半高寬LW的單位為Hz ； 3)對步驟2)得到的修正的磁共振信號進行傅里葉變換，可以獲得核磁共振梯度與不均勻磁場相干譜圖； 4)利用模式識別算法識別相干譜圖并記錄譜圖譜峰分布信息； 5)根據(jù)步驟4)記錄的譜圖譜峰分布信息，對相干譜圖進行校正； 6)對校正的譜圖進行累積投影，獲取高分辨一維核磁共振譜圖。
2.如權利要求1所述一種在不均勻磁場下獲取高分辨核磁共振譜圖的方法，其特征在于在步驟I)中，所述某一方向為X方向、Y方向或Z方向。
3.如權利要求1所述一種在不均勻磁場下獲取高分辨核磁共振譜圖的方法，其特征在于在步驟I)中，所述施加一個射頻脈沖的角度是180度整數(shù)倍以外的任意角度。
4.如權利要求1所述一種在不均勻磁場下獲取高分辨核磁共振譜圖的方法，其特征在于在步驟2)中，所述施加相干梯度的方式及強度時根據(jù)磁場不均勻性的方向分布及程度以不同的形式施加不同的相干梯度，若待研究的不均勻體系內(nèi)存在小標量偶合，則可利用時間自由演化的方式施加相干梯度，從而進行標量偶合放大；若不需要放大標量偶合時，則可利用梯度強度線性增加的方式施加相干梯度，從而保持標量大小。
5.如權利要求1所述一種在不均勻磁場下獲取高分辨核磁共振譜圖的方法，其特征在于在步驟4)中，所述模式識別算法識別相干譜圖并記錄譜圖譜峰分布信息的具體方法為:提取數(shù)據(jù)源矩陣輪廓，生成二值輪廓圖片M，以I來填充M中輪廓所包圍的閉合區(qū)域；對M進行圖形膨脹操作，使得靠近的輪廓連接到一起，所形成的圖像記為BW;找出并提取圖像BW中所有的凸多邊形，以凸多邊形所包圍的區(qū)域記為Mask，得到多個Mask矩陣^fMask矩陣與BW相乘得到每個多邊形區(qū)域的局部矩陣，求矩陣內(nèi)非零點的橫坐標均值，得到非零點在縱向上的分布，即得到中心線坐標，最終用平移操作對齊中心線，完成模式識別校正。
【文檔編號】G01R33/565GK104198970SQ201410452872
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權日:2014年9月5日
【發(fā)明者】陳忠, 韋芝良, 楊健, 張云燕, 閻牧云, 林雁勤 申請人:廈門大學