CN104198970B - 一种在不均匀磁场下获取高分辨核磁共振谱图的方法 - Google Patents

Abstract

一种在不均匀磁场下获取高分辨核磁共振谱图的方法，涉及核磁共振谱图。先施加一个射频脉冲，将磁化矢量从Z轴旋转到XY平面，在某一方向施加相干梯度的同时进行演化，演化结束后施加一个重聚脉冲，采集磁共振信号；施加相干梯度的方式及强度；决定施加相干梯度的方向，以半高宽LW衡量磁场不均匀的程度，所研究磁性核的旋磁比为γ，样品的有效检测长度为L，则所施加的梯度强度设为LW/(γL)，对梯度强度进行增减，得到修正的磁共振信号，再进行傅里叶变换，获得核磁共振梯度与不均匀磁场相干谱图；利用模式识别算法识别相干谱图并记录谱图谱峰分布信息，并对相干谱图进行校正；对校正的谱图进行累积投影，获取高分辨一维核磁共振谱图。

Description

一种在不均匀磁场下获取高分辨核磁共振谱图的方法

技术领域

本发明涉及核磁共振谱图，尤其是涉及一种在不均匀磁场下获取高分辨核磁共振谱图的方法。

背景技术

高分辨核磁共振技术作为一种强大的非侵入式检测手段在化学、生物代谢分析医学和材料学等领域获得了广泛的应用。自核磁共振现象的发现开始，各种各样的磁共振被相继开发并应用于不同科研领域的实际研究中。在这些技术中，高分辨一维磁共振谱的测量有着不可替代的重要性和必要性。然而，高分辨一维核磁共振谱的获取受限于磁场均匀度，在许多情况下，足够高的磁场均匀度是很难甚至是不可能获得的。这些情况包括单边磁体核磁共振(Blümich B,Perlo J，Casanova F.Mobile single-sided NMR.Progress inNuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,2008,52(4):197-269.)，生物医学中不同组织间磁化率差异，石油勘探中的岩石样品，电磁铁产生的磁场及化学反应体系等等。目前有些方法可用于获取高分辨核磁共振谱图。魔角旋转技术(Hu JZ,Sears JA,Mehta HS,FordJJ,Kwak JH,Zhu K,Wang Y,Liu J,Hoyt DW,Peden CHF.A large sample volume magicangle spinning nuclear magnetic resonance probe for in situ investigationswith constant flow of reactants.Physical Chemistry Chemical Physics,2012,14:2137-2143.)通过以魔角进行高速的旋转来平均磁场的不均匀度，从而获得高分辨磁共振谱；然而高速的旋转给样品本身带来了破坏，甚至在某些特定情况下，样品本身是不能被旋转的。分子内零量子相干技术(Pouzard G,Sukumar S,Hall LD.High resolution zeroquantum transition(two-dimensional)nuclear magnetic resonance spectroscopy:spectral analysis.Journal of the American Chemical Society,1981,103：4209-4215.)和自旋回波相关谱技术(Hall LD,Norwood TJ.Measurement of high-resolutionNMR spectra in an inhomogeneous magnetic field.Journal of the AmericanChemical Society,1987,109：7579-7581.)通过记录标量耦合自旋间的化学位移差，消除不均匀磁场的影响。为克服分子间零量子技术及自旋回波相关谱技术只能提供化学位移差的缺点，利用远程偶极场有效距离短、能提供高分辨化学位移信息的分子间多量子相干技术(Vathyam S,Lee S,Warren WS.Homogeneous NMR spectra in inhomogeneousfields.Science,1996,272:92-96.)(Chen Z,Chen ZW,Zhong JH.High-resolution NMRspectra in inhomogeneous fields via IDEAL(Intermolecular Dipolar-InteractionEnhanced All Lines)method.Journal of the American Chemical Society,2004,126:446-447.)获得了极大的发展。由于分子间信号的信噪比低，在实际应用中在一定程度上受限于信噪比。此外，通过设计特殊的射频脉冲，产生的射频场匹配不均匀磁场来获取高分辨谱图(Meriles CA,Sakellariou D,Heise H,Moule AJ,Pines A.Approach to high-resolution ex situ NMR spectroscopy.Science,2001,293:82-85.)。这种方法需要先验的不均匀磁场的分布信息，所借助的射频脉冲也比单脉冲实验等利用的脉冲复杂得多。

发明内容

本发明的目的在于提供基于谱线增宽相干的一种在不均匀磁场下获取高分辨核磁共振谱图的方法。

本发明包括以下步骤：

1)先施加一个射频脉冲，将磁化矢量从Z轴旋转到XY平面，然后在某一方向施加相干梯度的同时进行演化，演化结束后施加一个重聚脉冲，而后采集磁共振信号；

2)根据不均匀磁场的大小选择施加相干梯度的方式及强度；根据场图，可决定施加相干梯度的方向，以半高宽(记为LW，单位Hz)衡量磁场不均匀的程度，所研究磁性核的旋磁比为γ，样品的有效检测长度为L，则所施加的梯度强度可设置为LW/(γL)，再根据所得谱图的实际效果，对梯度强度进行增减，得到修正的磁共振信号；

3)对步骤2)得到的修正的磁共振信号进行傅里叶变换，可以获得核磁共振梯度与不均匀磁场相干谱图；

4)利用模式识别算法识别相干谱图并记录谱图谱峰分布信息；

5)根据步骤4)记录的谱图谱峰分布信息，对相干谱图进行校正；

6)对校正的谱图进行累积投影，获取高分辨一维核磁共振谱图。

在步骤1)中，所述某一方向为X方向、Y方向或Z方向。

在步骤1)中，所述施加一个射频脉冲的角度可以是180度整数倍以外的任意角度。

在步骤2)中，所述施加相干梯度的方式及强度时根据磁场不均匀性的方向分布及程度以不同的形式施加不同的相干梯度，若待研究的不均匀体系内存在小标量偶合，则可利用时间自由演化的方式施加相干梯度，从而进行标量偶合放大；若不需要放大标量偶合时，则可利用梯度强度线性增加的方式施加相干梯度，从而保持标量耦合大小。

在步骤4)中，所述模式识别算法识别相干谱图并记录谱图谱峰分布信息的具体方法可为：提取数据源矩阵轮廓，生成二值轮廓图片M，以1来填充M中轮廓所包围的闭合区域；对M进行图形膨胀操作，使得靠近的轮廓连接到一起，所形成的图像记为BW；找出并提取图像BW中所有的凸多边形，以凸多边形所包围的区域记为Mask，得到多个Mask矩阵；将Mask矩阵与BW相乘得到每个凸多边形区域的局部矩阵，求矩阵内非零点的横坐标均值，得到非零点在纵向上的分布，即得到中心线坐标，最终用平移操作对齐中心线，完成模式识别校正。

作为优选，根据不同的实际情况选择不同的方式施加相干梯度。每一种施加相干梯度的方式对应的采样时间不相同。同时，相干谱图所包含的信号侧重点不同。

核磁共振的信号在不均匀磁场下，由于谱线增宽相互混叠而无法识别，因此本发明借助于梯度相干，可改变谱线增宽的方向及方式，从而避免混叠的发生，得到不混叠的相干磁共振谱图。

本发明提供了一种在不均匀磁场下获取高分辨核磁共振谱图的方法。该方法先施加一个射频脉冲，将磁化矢量从Z轴旋转到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强度的梯度的同时进行一段演化。演化后，施加一个重聚脉冲，从而改变标量偶合与化学位移在谱图中的空间分布。最后，进行采样。对采集到的数据进行多维傅里叶变换，得到梯度与不均匀磁场相干谱图。应用模式识别算法分析得到的相干谱图，得到谱线的分布信息。根据分布信息，计算相干谱图恢复需要的信息，完成谱图校正，从而得到高分辨的磁共振波谱。本发明在研究标量偶合系统上提供了两种选择：若干倍放大标量偶合或者不放大标量偶合。在实际的应用中，可根据需要选用。

本发明的主要优点为：第一、提供灵活的标量偶合放大功能，可根据研究体系标量偶合的特点选用；第二、序列本身涉及的脉冲少，并且不涉及复杂的脉冲形式，对硬件的要求低；第三、对脉冲角度的不完美不敏感，能在脉冲角度有偏差的情况下获得相干谱图；第四、由于不涉及复杂的信号调制过程，所产生的相干谱图重建后具有可量化性。本发明的技术效果是能在不均匀磁场下获得高分辨可量化的磁共振谱图。获得的高分辨谱图有助于在不均匀体系中的化学分析。

附图说明

图1为实施例中使用的采集信号LBI-1的序列图。

图2为实施例中使用的采集信号LBI-2的序列图。

图3为实施例中使用的采集信号LBI-3的序列图。

图4为由LBI-1序列所采得的相干谱图。

图5为经模式识别校正后得到相干谱图。

图6为相干谱图图4取对角线迹时所得到的高分辨一维谱。

图7为模式识别处理后的相干谱图图5沿着间接维F1进行累加投影得到的高分辨一维谱。

图8为调偏Z1线圈造成的不均匀磁场下获得的单脉冲谱图。所有的谱图对应的实验均在同样的不均匀磁场下完成。

在图4～8中使用的样品为三溴丙酸乙酯与丁酮1∶1的混合溶液。

LBI-1间接维设置一定程度混叠得到的不均匀磁场下的三溴丙酸乙酯及丁酮混合溶液的核磁共振谱图：

图9为LBI-1间接维有一定混叠时获得的谱图。

图10为图9经过折叠校正处理后得到的谱图。

图11为图10经过模式识别处理后获得的谱图。

图12为图11图累加投影后获得的高分辨一维谱。

图13为不均匀磁场下采集得到的单脉冲谱。

图14为由LBI-2序列所采得的相干谱图。

图15为经模式识别校正后得到相干谱图。

图16为相干谱图图14取水平中心线迹时所得到的高分辨一维谱。

图17为模式识别处理后的相干谱图图15沿着间接维F1进行累加投影得到的高分辨一维谱。

图18为调偏Z1线圈造成的不均匀磁场下获得的单脉冲谱图；所有的谱图对应的实验均在同样的不均匀磁场下完成。

图19为由LBI-3序列所采得的相干谱图。

图20为经模式识别校正后得到相干谱图。

图21为相干谱图图19取对角线迹时所得到的高分辨一维谱。

图22为模式识别处理后的相干谱图图20沿着F1进行累加投影得到的高分辨一维谱。

图23为调偏Z1线圈造成的不均匀磁场下获得的单脉冲谱图；所有的谱图对应的实验均在同样的不均匀磁场下完成。

在图14～23中使用的样品为三溴丙酸乙酯与丁酮1∶1的混合溶液。

图24为单脉冲序列获得的谱图。

图25为由LBI-1采得，经模式识别处理后得到的高分辨一维谱。

图26为由LBI-2采得，经模式识别处理后得到的高分辨一维谱。

图27为由LBI-3采得，经模式识别处理后得到的高分辨一维谱。

图24～27为包含Z方向1到7阶磁场不均匀性时利用本发明提供的序列采得的三溴丙酸乙酯与丁酮混合溶液的核磁共振谱图。

具体实施方式

下文结合附图和实施例，对本发明做进一步说明：

本实施例使用配备三维梯度场的瓦里安Varian 500MHz磁共振仪器，样品为三溴丙酸乙酯与丁酮1∶1混合溶液。使用的脉冲序列如图1～3所示。

磁场不均匀是通过调偏Z方向的Z1匀场线圈实现的。在这种不均匀磁场下，传统的单脉冲序列采到如图8的低分辨波谱，谱线增宽发生混叠，无法从谱图中辨识出谱线的条线及中心。利用本发明中的LBI-1序列，如图1所示，施加的干扰梯度强度为0.0586高斯/厘米,贯通整个自由演化时间(t₁)。间接维F1的采样数字分辨率为2Hz，直接维F2的采样数字分辨率为0.5Hz。整个LBI-1实验的采样时间约为7min。把LBI-1得到的数据(参见图4和6)进行模式识别处理恢复出高分辨谱如图5和7所示。

为缩短采样时间，在进行LBI-1实验时，在间接维引入一定程度的混叠。此时仍然保证间接维的数字采样分辨率为2Hz，可知间接维所需要的采样点减小，进而节约了采样时间。此外，直接维的采样数字分辨率为0.5Hz，施加的干扰梯度强度为0.0586高斯/厘米,贯通整个自由演化时间(t1)。实验的采样时间约为3min。所得到的数据(图9)先进行FOC折叠校正(图10)，经校正后经模式识别处理得到高分辨谱图如图11和12所示。对比同样磁场下采到的单脉冲谱如图13可知，分辨率得到了很大的改善。

为缩短采样时间且同时不需要FOC校正，可利用本发明中的LBI-2序列，如图2所示。LBI-2序列中的相干梯度分为前后两段施加，这两个相干梯度极性相反、强度相等。相干梯度的强度为0.0243高斯/厘米，间接维F1和直接维F2的采样数字分辨率分别为2Hz和0.5Hz，实验的采样时间约为2min。利用LBI-2采样的数据(参见图14和16)进行相关的数据处理后，得到高分辨的一维投影谱如图15和17所示；同样磁场条件下得到的单脉冲谱如图18所示。

由于LBI-1和LBI-2都具有放大标量偶合的作用，在某些不需要放大标量偶合的应用场合不能提供最优的效果。此时，可利用本发明中的LBI-3序列，如图3所示。该实验中，相干梯度不再以时间线性延长的方式施加，而改为强度线性增强的方式施加。相干梯度的取值为-3.9067高斯/厘米到3.9067高斯/厘米，步进为0.0391高斯/厘米。将LBI-3得到的数据(参见图19和21)经模式识别处理后，得到如图20和22的高分辨一维谱；此时，单脉冲谱为图23。

为验证本发明在更复杂的不均匀磁场下的效果，同时调偏Z方向的所有匀场线圈，重复LBI-1、LBI-2和LBI-3的实验，得到结果如图25～27所示。与此不均匀磁场下得到的单脉冲谱图24相比，保留了高分辨的信息。

综上所述，本发明提供了一种基于谱线增宽与梯度相干在不均匀磁场中获取高分辨核磁共振谱图的方法，通过在施加相干梯度，改变了谱线的增宽方向，再借助于以模式识别为特点的数理后处理，则可恢复出高分辨谱图。在此发明的基础上，可以发展出基于谱线增宽与梯度相干方法的高维磁共振谱。且相干梯度可以施加于脉冲序列的采样期，以达到类似的效果。利用本发明所获得的高分辨谱图有助于在不均匀体系中的化学分析。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种在不均匀磁场下获取高分辨核磁共振谱图的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)先施加一个射频脉冲，将磁化矢量从Z轴旋转到XY平面，然后在某一方向施加相干梯度的同时进行演化，演化结束后施加一个重聚脉冲，而后采集磁共振信号；

2)根据不均匀磁场的大小选择施加相干梯度的方式及强度；根据场图，可决定施加相干梯度的方向，以半高宽LW衡量磁场不均匀的程度，所研究磁性核的旋磁比为γ，样品的有效检测长度为L，则所施加的梯度强度可设置为LW/(γL)，再根据所得谱图的实际效果，对梯度强度进行增减，得到修正的磁共振信号；所述半高宽LW的单位为Hz；

3)对步骤2)得到的修正的磁共振信号进行傅里叶变换，可以获得核磁共振梯度与不均匀磁场相干谱图；

4)利用模式识别算法识别相干谱图并记录谱图谱峰分布信息；

5)根据步骤4)记录的谱图谱峰分布信息，对相干谱图进行校正；

6)对校正的谱图进行累积投影，获取高分辨一维核磁共振谱图。

2.如权利要求1所述一种在不均匀磁场下获取高分辨核磁共振谱图的方法，其特征在于在步骤1)中，所述某一方向为X方向、Y方向或Z方向。

3.如权利要求1所述一种在不均匀磁场下获取高分辨核磁共振谱图的方法，其特征在于在步骤1)中，所述施加一个射频脉冲的角度是180度整数倍以外的任意角度。

4.如权利要求1所述一种在不均匀磁场下获取高分辨核磁共振谱图的方法，其特征在于在步骤2)中，所述施加相干梯度的方式及强度时根据磁场不均匀性的方向分布及程度以不同的形式施加不同的相干梯度，若待研究的不均匀体系内存在小标量耦合，则可利用时间自由演化的方式施加相干梯度，从而进行标量耦合放大；若不需要放大标量耦合时，则可利用梯度强度线性增加的方式施加相干梯度，从而保持标量耦合大小。

5.如权利要求1所述一种在不均匀磁场下获取高分辨核磁共振谱图的方法，其特征在于在步骤4)中，所述模式识别算法识别相干谱图并记录谱图谱峰分布信息的具体方法为：提取数据源矩阵轮廓，生成二值轮廓图片M，以1来填充M中轮廓所包围的闭合区域；对M进行图形膨胀操作，使得靠近的轮廓连接到一起，所形成的图像记为BW；找出并提取图像BW中所有的凸多边形，以凸多边形所包围的区域记为Mask，得到多个Mask矩阵；将Mask矩阵与BW相乘得到每个凸多边形区域的局部矩阵，求矩阵内非零点的横坐标均值，得到非零点在纵向上的分布，即得到中心线坐标，最终用平移操作对齐中心线，完成模式识别校正。